WWW.PDF.KNIGI-X.RU
БЕСПЛАТНАЯ  ИНТЕРНЕТ  БИБЛИОТЕКА - Разные материалы
 

Pages:     | 1 || 3 | 4 |   ...   | 6 |

«Москва Издательство МЦНМО УДК 52 (07) ББК 22.6 Р69 А. М. Романов. Р69 Занимательные вопросы по астрономии и не только. — М.: МЦНМО, 2005. — 415 с.: ил. — ISBN ...»

-- [ Страница 2 ] --

1056. Чьи астрономические труды были единственными в своём роде и невостребованными в течение 16 веков, а потом были использованы для принципиальных открытий и небесполезны до сих пор?

1057. Правда ли, что Юлий Цезарь ввёл новый календарь для того, чтобы религиозные праздники приходились на определенные дни недели (желательно на субботу или воскресенье)?

1058. Когда люди построили самые древние обсерватории? Зачем это им понадобилось?

1059. Какие древние и средневековые обсерватории Вы знаете?

1060. Почему раньше астрономы стремились расположить обсерватории на вершинах гор? Почему теперь астрономы стремятся отправить свои телескопы в космос?

1061. Сколько раз сжигали Александрийскую библиотеку?

1062. В 1609 г. Галилео Галилей создал телескоп и впервые направил его в небо. Какие потрясающие воображение его современников открытия он сделал?

1063. Почему он обратился к небу, а не на Землю?

1064. Солнечные пятна независимо друг от друга открыли: Г. Галилей в 1610 г. (опубликовал только в 1612 г.), И. Фабрициус в 1611 г.

(первым опубликовал открытие) и Х. Шейнер (с 1611 г. определил период вращения Солнца). Почему вдруг так «густо», почему же раньше их не видели?

1065. Многие свои открытия Галилей и другие астрономы не публиковали, а шифровали в виде анаграмм. Чем это было вызвано?

1066. Какие Вы знаете имена «спонсоров» астрономии?

1067. Какие созвездия названы в честь конкретных людей?

1068. Что означает фраза: «Власть — добровольное рабство»?

1069. В отношении каких астрономических открытий «приоритет»

принадлежит европейской (средиземноморской) цивилизации, а каких — китайской?

1070. В чём состоит физический смысл опытов Галилея на Пизанской башне?

1071. Про каких великих учёных их современники давали презрительные отзывы?

1072. Можете ли Вы привести примеры фундаментальных открытий, сделанных молодыми учениками по «подсказке» своих маститых Учителей?

1073. У астрономов есть поговорка: «О Боже, Афганистан, куда мы несёмся?» Что она означает? Когда она появилась?

1074. Какое астрономическое открытие было сделано во время боевых действий?

1075. Кого из великих учёных обвинили в «недостаточности республиканских добродетелей и слишком слабой ненависти к тиранам»?

1076. Кто первым изобрёл механический планетарий?

1077. Кому принадлежит такая характеристика системы мира Птолемея: «Если бы Всевышний спросил моего мнения, я бы посоветовал Богу придумать что-нибудь попроще»?

1078. Когда впервые появилось слово «астроном»?

1079. Инквизиция обвинила в ереси (инакомыслии) и 17 февраля 1600 г. сожгла на костре Джордано Бруно. Какие его идеи нашли своё подтверждение за прошедшие 400 лет, а какие, на Ваш взгляд, оказались ошибочными?

1080. Каким образом сохранились результаты трудов Улугбека после его убийства и разрушения обсерватории?

1081. Какая астрономическая обсерватория отпраздновала свой 1000-летний юбилей?

1082. В 1582 г. Папа Григорий 13 ввёл новый календарь, который носит теперь его имя. А кто из великих астрономов поплатился жизнью за то, что внёс аналогичное предложение, но на век раньше? Каковы его действительные заслуги перед наукой и человечеством?

1083. Во второй половине 17 века астрономы стали стоить т. н. «воздушные телескопы», которые не имели трубы, только продольную штангу, на концах которой закреплялись объектив и окуляр. Ян Гевелий в 1647 г. использовал телескоп длиной 45 м, а Андриан Озу в 1664 г.

во Франции построил воздушный телескоп 96 м! Почему такие монстры потребовались и как ими можно было управлять? Что общего с ними имеют современные телескопы?

1084. Назовите известных женщин-астрономов?

1085. За что Исаак Ньютон был избран в Королевское общество?

1086. Чем знамениты выступления И. Ньютона в Палате лордов?

1087. Каким образом великий немецкий учёный Иммануил Кант (1724–1804) оказался подданным Российской империи?

1088. Какой великий учёный опубликовал свой главный труд против своей воли?

1089. В каком городе России похоронены два великих учёных, работавших в Германии?

1090. Эйнштейн в 1905 г. постулировал, что скорость света постоянна.

А когда впервые измерили скорость света?

1091. Основателем какого университета был В. И. Вернадский?

1092. Какой глобус называется «готторпским» и почему?

1093. Какими астрономическими инструментами пользовался Остап Бендер? С какими целями?

Ответы Глава 1. «100000 Почему»

1. Почему Луна круглая?

Cм. ответ на вопрос № 36, стр. 80.

3. Почему небо голубое?

Как смотрел всегда человек в небо, так с самой глубокой древности перед ним вставал вопрос о его голубом цвете, равно как все сопутствующие проблемы анализа цветов и цветовых композиций. В средние века считалось, что голубой цвет образуется от смешения чёрного и белого оттенков, но затем выяснилось, что таким путём можно получить только серый цвет. После изобретения спектрального анализа и обнаружения явления интерференции света в тонких плёнках Исаак Ньютон высказал предположение, что голубой цвет неба образуется на поверхности капелек воды, летающих в воздухе. В 18 веке, после открытия в химии многих отдельных газов, учёные полагали, что голубой цвет присущ самим составляющим атмосферного воздуха. Впоследствии даже оказалось, что жидкий кислород действительно имеет голубой оттенок, а жидкий озон — даже синий цвет, но это относится только к соответствующим жидкостям, а не газам. Сами же газы, входящие в состав воздуха (см. также вопрос № 421, стр. 142), являются полностью бесцветными.

Первым Араго в 1809 г. открыл и исследовал такую важнейшую характеристику рассеянного света неба, как его поляризация. В дальнейшем, на протяжении всего 19 века были проведены многочисленные опыты по рассеянию света в различных жидкостях, растворах и газах для того, чтобы в лаборатории смоделировать и воспроизвести голубой цвет неба. Как было установлено, голубой цвет образуется главным образом именно за счёт механизмов рассеяния света, но не на многочисленных примесях и аэрозолях, присутствующих в воздухе, а непосредственно на газовых молекулах. После своей первой работы в 1871 г.

лорд Рэлей почти 30 лет создавал строгую математическую теорию атмосферного рассеяния на основе электромагнитной природы света, и только в 1899 г. вышел его обобщающий труд «О свете от неба, его поляризации и цвете».

Правильное разрешение проблемы цвета неба состоит в том, что в случае рассеивающих частиц малого размера ( /10) коэффициент рассеянного света обратно пропорционален 4 степени длины волны света: = С · F (N )/4, где С = const, F (N ) — определённая функция числа частиц N в единице объёма. Это означает, что один и тот же объём воздуха будет существенно сильнее рассеивать коротковолновую часть света, чем длинноволновую.

1/4, Свет Длина волны коэффициент коэффициент мкм4, мкм рассеянного проходящего света (1 н ) света н 0,76 0,62 4,41 0,123 0,877 Красный Оранжевый 0,62 0,585 7,59 0,213 0,787 0,585 0,57 8,99 0,252 0,748 Жёлтый 0,57 0,51 11,76 0,329 0,671 Зелёный 0,51 0,48 16,66 0,466 0,534 Голубой 0,48 0,45 21,39 0,599 0,401 Синий Фиолетовый 0,45 0,39 32,14 0,900 0,100 Здесь н — коэффициент рассеяния, условно нормированный для фиолетового света (90%).

Из данной таблицы ясно видно, что если падающий от Солнца свет первоначально имел одинаковые интенсивности всех цветов спектра (такой свет мы бы воспринимали как чисто белый), то после прохождения даже совершенно чистой атмосферы значительная часть голубых и синих лучей будет рассеяна и окрасит небосвод в соответствующий цвет, а само Солнце (в проходящем свете) станет при этом жёлтым.

Если мы в дневное время станем подниматься вверх и уменьшать тем самым толщину атмосферы над своей головой, то механизм рассеяния света будет слабеть, и Солнце будет восстанавливать свой первоначальный белый цвет и свою первоначальную яркость. Этот эффект «отбеливания» Солнца и Луны хорошо наблюдается при наборе высоты 7–10 км во время типичного полёта на самолёте. Небосвод при этом также заметно изменяет свой вид: вверху он потемнеет и станет гораздо более синим, а внизу, у земли, напротив, будет ярким и голубовато-белёсым.

Вид синего неба типичен и высоко в горах. В свою очередь космонавты, летая полностью за пределами атмосферы, любуются одновременно ярко-белым и жгучим (в присутствии ультрафиолета) Солнцем, звёздами на абсолютно чёрном небе, и ярко-голубой планетой Земля внизу.

Вечером, глядя с поверхности Земли, толщина атмосферного слоя, через который проходят лучи Солнца на его заходе, значительно увеличивается, и Солнце около горизонта из жёлтого становится сначала оранжевым, а затем и всё более и более красным. Толщина рассеивающего слоя у нас над головой при этом, естественно, не изменяется, но за счёт ослабления общего светового потока небосвод, также как при подъме вверх, темнеет и становится синим, а затем на восточной, теневой стороне горизонта фиолетовым и чёрным.

Описанное рассеяние света для частиц, с размерами /10, с тех пор называется рэлеевским или молекулярным. В процессе дальнейших физических исследований уже в 20 веке оказалось, что действительными «рассеивателями» являются даже не сами молекулы газов, а их мелкие случайные сгущения (флуктуации) за счёт теплового (броуновского) и турбулентного движения воздуха. Теория флуктуационного рассеяния света в атмосфере, которую создали М. Смолуховский и А. Эйнштейн, полностью соответствует и прежним выводам теории Рэлея.

Существенные изменения, однако, начинаются в том случае, когда происходит поступление в атмосферу частиц с больш ми размерами.

и Это могут быть как твёрдые аэрозольные частицы (песчинки, пыль, дым, сажа, кристаллики льда), так и жидкие (капельки воды). При увеличении размера рассеивающих частиц больше, чем /10, рассеяние уже не может считаться чисто рэлеевским. Обобщённую теорию аэрозольного рассеяния света для частиц произвольного размера создал Г. Ми в 1908 г. В зависимости от соотношения размера частицы и длины волны падающего света, коэффициент рассеяния в теории Ми сначала повторяет закон Рэлея, затем заметно замедляет свой рост, при = начинает уменьшаться, и после некоторых вариаций выходит для больших на некоторое постоянное значение. Соответственно, при наличии в воздухе частиц большого размера (относительно ) рассеяние света уже не зависит от длины волны и называется поэтому нейтральным.

Такими большими частицами являются чаще всего капельки воды, поэтому облака днём имеют нейтральный, т. е. белый цвет. Небо у горизонта по этой же причине выглядит более белёсым, чем в зените.

Аэрозольное рассеяние света ответственно за многие необычные цветовые эффекты в небе. Например, во время пыльных бурь в пустынях Солнце может приобретать... зелёный оттенок. А иногда, после сильных вулканически извержений или лесных пожаров, на восходе наблюдается Солнце или Луна... голубого цвета! Кстати, по фотографиям, переданным «Викингами», на Марсе цвет вечерней зари тоже зелёный.

4. Почему радуга круглая?

Радуга образуется из-за преломления солнечных (или иных) лучей света в круглых каплях воды, имеющихся в воздухе во время и после дождя или от иных источников капель (например, от поливочного шланга).

Принципиальное значение имеет то, что капли круглые (сферические).

Нетрудно показать, что все лучи, параллельно приходящие от солнца и падающие на сферическую каплю, испытывают преломление на её поверхности и полное внутреннее отражение (то есть отражение от внутренней поверхности капли), и по законам геометрической оптики получают отклонение в пространстве на один и тот же определённый угол. Таким образом, каждая из капель, освещаемых одним и тем же источником света, преломляет все падающие на неё лучи и отражает их обратно, подобно катафоту, таким образом, что они расходятся от капли в пространстве вдоль поверхности конуса с определённым углом раскрыва. При наблюдении массива из многих капель, свободно распределённых в воздухе, мы сможем увидеть отражённые лучи света от тех из них, которые сами расположены под тем же углом относительно нас и источника света (солнца). Очевидно, что такие капли, светящие в нашу сторону, сами также будут располагаться в пространстве на поверхности конуса с тем же углом раскрыва, что и отражённый свет от каждой капли. Для наблюдателя (то есть для нас) конус светящихся капель будет виден как круг, проецирующийся на более тёмное небо или другой фон.

Поскольку свет при отражении от капли дважды проходит границу сред (воздух — вода — воздух), то в силу преломления света, которое имеет различную величину для разных цветов (т. е. для разных длин волн света), разные цвета отклоняются каплями воды на несколько разные углы. Красный свет отклоняется на 137 градусов 30 минут, а фиолетовый на 139 20. Соответственно, если мы посмотрим в противоположную от солнца сторону, то в круге, отстоящем от условного центра («противосолнца») на 42 30 мы увидим капли, светящиеся красным светом, а в круге, отстоящем на 40 40 — фиолетовым. Все прочие цвета расположатся между ними, и мы увидим собственно радугу, — т. е.

светящийся круг (или дугу), в котором снаружи внутрь идут цвета:

красный, оранжевый, жёлтый, зелёный, голубой, синий, фиолетовый.

Понятно, что поскольку чаще всего мы видим радугу от Солнца, которое при этом всегда выше горизонта, то «противосолнце» находится несколько ниже горизонта, и радуга получается только в виде части полной окружности, т. е. в виде дуги. Для того, чтобы увидеть круглую радугу, необходимо иметь освещённые капли воды ниже себя.

Это можно сделать либо с помощью шланга, либо с помощью самолёта, глядя на дождь сверху. В крайнем случае можно расположить ниже себя источник света, но тогда уже, разумеется, не Солнце.

Если капли будут не вполне круглые (например, вытянутые при крупном дожде) или будут сильно неоднородны по своим размерам, то радуга будет получаться бледной и неоднородной по цветам, т. е. не такой красивой, как иногда бывает.

Если организовать капли не из воды, а из какой-либо другой жидкости, то изменится угол преломления света, соответственно, изменится угловой размер видимой радуги.

Среди других красивых атмосферных явлений можно отметить т. н. «гало», которые образуются на ледяных кристалликах и иногда видны вокруг Луны или Солнца.

5. Почему звёзды рисуют с лучами?

См. конец ответа на вопрос № 114 (стр. 93).

6. Почему трава зелёная?

См. ответ на вопрос № 421 (стр. 142, 143).

7. Почему циклоны идут с запада?

Cм. ответ на вопрос № 404, стр. 139.

28. Почему Египет считается одним из очагов человеческой цивилизации?

Cм. ответ на вопрос № 1051, стр. 327.

30. Почему так трудно предсказывать землетрясения?

Землетрясения имеют неявные (скрытые) причины, случайный характер и очень быстрое развитие во времени.

Первопричиной всех тектонических явлений на поверхности Земли (и других планет), в т. ч. землетрясений, является взаимное движение литосферных плит земной коры с типичными скоростями 1–2 см/год (максимальное значение до 10 см/год). Это равномерное в своей основе движение кусков коры приводит к постоянному накоплению механических напряжений в горных породах в зонах геологических разломов, которые время от времени, случайным образом сбрасываются за счёт разрушения (растрескивания) пород в очаге землетрясения и быстрого «проскакивания» соседних слоёв друг относительно друга на расстояния до нескольких метров.

Вследствие:

а) недоступности очага землетрясения для непосредственного наблюдения и измерений (очаги землетрясений располагаются на глубинах до 33 км),

б) непредсказуемости структурного состояния пород и их предела прочности в данном конкретном месте и в данных условиях, а также

в) кратковременности самого процесса разрушения и тектонической подвижки (скорости сейсмических волн достигают 8 км/с, т. е. могут превышать 1-ю космическую скорость, а средняя продолжительность землетрясения на поверхности 5–10 с), — можно сказать, что предсказание землетрясения, т.е. указание для будущего события его места (эпицентра), времени и силы (магнитуды), является теоретически невозможным.

Единственное, что возможно для параметров предстоящего землетрясения, это их вероятностные оценки. Для этого применяются методы сейсмического районирования и наблюдения предвестников землетрясений.

Сейсмическое районирование означает определение границ сейсмически опасных районов на поверхности Земли с указанием максимальной магнитуды (М) землетрясения, возможного в данном районе.

Оно осуществляется на основе глобальной геодинамики и сведений о всех известных предыдущих землетрясениях, и применяется в первую очередь для создания норм сейсмостойкого строительства и сейсмобезопасности. В среднем на Земле каждый год происходит землетрясение силой более 8,0 М по Рихтеру, приводящее к разрушению большинства зданий в его эпицентре. Известно также, что при катастрофических землетрясениях (11 баллов по Меркалли или 8,6 М Рихтера), которые могут повторяться до 10 раз в столетие, наблюдаются колебания грунта с ускорением до 105 см/с, что почти в 100 раз больше ускорения свободного падения, подбрасывание предметов в воздух и так называемые «земляные волны» на поверхности.

Во всех сейсмически опасных районах ведётся мониторинг предвестников землетрясений, среди которых можно назвать: рои слабых предшествующих толчков; микродвижения (до 1 мм/год) и наклоны земной поверхности (до 108 рад); деформации горных пород; изменения уровней грунтовых вод и содержания в них радона (радиоактивный газ); изменения скоростей распространения сейсмических волн;

локальные изменения магнитного поля и электрического сопротивления горных пород; и даже специфические возмущения в ионосфере.

В качестве неинструментального индикатора воздействия предвестников землетрясений на живые организмы известно аномальное поведение животных. Однако очевидно, что все предвестники сигнализируют тем или иным образом лишь о факте нарастания механических напряжений в земной коре, но не дают информации о «спусковом механизме»

предстоящего землетрясения, его моменте во времени и количестве одновременно высвобождаемой энергии. Таким образом, в современных условиях можно утверждать, что большинство будущих землетрясений предсказано, к сожалению, не будет. Кроме этого, в силу особой социальной значимости землетрясения, его ошибочный (несостоявшийся) прогноз является неприемлемым.

Сильнейшие инструментально измеренные землетрясения с магнитудой 8,9 происходили 31.01.1906 г. около Эквадора (продолжительностью около 3 минут) и 03.03.1933 г. около Санрику, Япония. Каждое из них выделяло энергию в 1025 эрг, что превосходит энергию водородной бомбы. В среднем 10 000 человек ежегодно погибает вследствие землетрясений. Наиболее катастрофическое землетрясение в 20 веке произошло 28.07.1976 г. в г. Тяншань, Китай (7,8 М, 243 000 погибших), а в истории человечества — 23.01.1556 г. в Шаньси, Китай (8,0 М, 830 000 погибших). Общее энерговыделение землетрясений на Земле — 1026 эрг/год.

32. Почему планеты по небу вслед за Солнцем ходят?

Солнечная система сильно сплюснута. Планеты крайне незначительно отстоят от средней плоскости, в которой они обращаются вокруг Солнца, причём все в одном направлении. Эта плоскость называется эклиптикой. Поэтому наблюдателю на Земле и будет казаться, что планеты и Солнце на фоне далеких звёзд движутся на небе по одной линии.

36. Почему круглую форму имеют: песчинки, капельки, колобки, пельмени, мыльные пузыри, воздушные шары, небесные тела?

«Так природа захотела.

Почему?

Не наше дело.

Для чего?

Не нам судить.»

Б. Ш. Окуджава.

Песчинки — это мелкий обломочный материал, образованный при разрушении твёрдых горных пород. Круглая форма песчинок обусловлена долговременным воздействием на них движущейся жидкой среды, прежде всего — действием волн в прибойной зоне. За счёт многократного окатывания обломков, их соударений и трения друг о друга, образуются всё более мелкие фракции щебня и гальки (ср. «в порошок сотру»).

Капельки — это небольшие («кот наплакал») количества жидкости (например, воды), распылённой в инородной среде (например, в воздухе), и принимающие сферическую форму за счёт действия сил поверхностного натяжения. Все молекулы в жидкости притягиваются друг к другу, но те из них, которые находятся на поверхности жидкости, испытывают значительно большее притяжение внутрь (к молекулам более плотной жидкости), чем наружу (к молекулам разреженного воздуха). Поэтому поверхность жидкости ведёт себя подобно упругой плёнке, охватывающей жидкость со всех сторон, и стягивающей её.

(Алергант Дима: «если какая-то часть выступает, то сила поверхностного натяжения возвращает эту часть на место“».) Поскольку именно ” сфера является поверхностью с наименьшей площадью при заданном объёме (который поверхность должна ограничивать), то капельки становятся круглыми. Это изменение формы прекрасно видно при отрыве висящей капли (в форме капли) и превращение её в шарик в полёте.

Если капля становится слишком большой, то силы поверхностного натяжения могут уже не справляться с «округлением» капли, и тогда она начнёт принимать сплющенные формы или распадаться на более мелкие капельки (коэффициент поверхностного натяжения воды при 20 С равен 0,0728 Н/м). Очень красиво наблюдать на примере фонтана, как силы поверхностного натяжения сначала формируют его струю на этапе подъёма и торможения, а затем разбивают её на отдельные всё более мелкие капли в падении. Неограниченно большие сферические капли (жидкие тела) можно получать в невесомости. При повышении температуры поверхностное натяжение уменьшается. (Тонашевская Александра: «капельки имеют форму капли лишь тогда, когда отрываются от крыши, сначала масса воды перевешивает, а потом форма меняется».) Колобки (устар.) — ранее производившаяся в домашних условиях выпечка в форме шара размером около 10 см (подробнее см. сказку «Колобок»). Сферическая форма колобка образуется непосредственно вручную, методом «катания» теста по поверхности.

Пельмени — популярный высокопитательный пищевой продукт, типичный для стран с суровым климатом (см. Сибирь). Пельмени (и вареники) также принимают ту форму, которую им придают при изготовлении, в общем случае они могут быть и не круглыми. Пельмени не катают, а лепят. Например: «Обвалялся слон в муке, подошёл к зеркалу, и говорит: Ничего себе пельменчик!“».

” Мыльные пузыри — сложный физический объект, состоящий из некоторого количества воздуха (как правило, не более 103 м3 ), заключённого внутри жидкой плёнки высококонцентрированного мыльного раствора. Форма мыльного пузыря также определяется силами поверхностного натяжения в плёнке поверхностно активного вещества (ПАВ).

За счёт него создаётся повышенное давление внутри самого пузыря;

соответственно, чтобы пузырь надуть, требуется некоторое физическое усилие. И наоборот, можно наблюдать процесс уменьшения объёма пузыря (и увеличения толщины его плёнки), если стравливать часть воздуха из него, например, через тонкую трубочку. Очень красиво и поучительно наблюдать также процессы объёмных колебаний мыльных пузырей достаточно большого объёма. (Акимкин Тимофей: «форма шара, вследствие сил поверхностного натяжения, соответствует минимуму энергии, а потому наиболее устойчива».) Воздушные шары — отличаются от мыльных пузырей тем, что имеют оболочку из деформируемых (ткань) или растяжимых (резина) «твёрдых» материалов. Типичной ошибкой участников было утверждение, что круглая форма определяется избыточным давлением внутри.

Закон Паскаля, конечно же, верен, но проделайте один простейший опыт. Возьмите обыкновеннейший полиэтиленовый пакет и сильно надуйте его. Ну что, круглый? То-то. Сферическая форма шаров определяется главным образом изначально заданной формой наполняемой оболочки, а не только избыточным давлением воздуха внутри.

Шары могут иметь и иную форму (продолговатую, цилиндрическую, тетраэдр, и т. д.). Если мыльный пузырь при выходе из него воздуха может поддерживать свою круглую форму и избыток давления за счёт уменьшения своей поверхности (часть молекул с поверхности плёнки уйдёт вглубь жидкого слоя), то воздушный шар в этом случае просто потеряет свою форму, т. е. сдуется. («Контрпримером будет дирижабль».) Луна — естественный спутник Земли, одно из небольших тел в Солнечной системе (масса 7,35 · 1025 г, радиус 1738,2 км). Разница между радиусами Луны по направлению к Земле, к полюсу, и вдоль её орбиты не превышает 1 км, т. е. несферичность Луны составляет 6 · 104 (не путать с горами на Луне высотой до 9 км). Вообще говоря, проблема образования и ранней эволюции Луны до сих пор представляет собой одну из загадок планетной астрономии и космогонии. Единственное, что мы сейчас можем сказать, это то, что сферическая форма Луны и других твёрдых тел, планет и спутников устанавливается на раннем этапе их формирования. При выпадении на поверхность образующих планетное тело фрагментов, состоящих из газа и пыли, оно разогревается до плавления твёрдых пород и образования полужидкого лавового слоя. Под действием силы тяжести планета принимает сферическую форму (в случае достаточно быстрого вращения — форму эллипсоида вращения).

Солнце — типичная звезда, представляющая собой газовый (плазменный) шар. Главным фактором, определяющим форму Солнца, является сила тяжести (на поверхности ускорение свободного падения составляет 27398 см/с2 = 27,9g). Несферичность Солнца вызвана его вращением вокруг своей оси со скоростью 2,865 · 106 с1. Разность видимых с Земли угловых радиусов Солнца в направлении на экватор и полюс составляет 0,05, соответственно, наблюдаемая сплющенность Солнца составляет 5,2 · 105 (в 10 раз «круглее» Луны).

Хотелось бы обратить внимание, что за исключением пельменей, которые не круглые, за круглую форму всех прочих перечисленных тел ответственны разные физические силы. Песчинки — сила трения, капельки и мыльные пузыри — сила поверхностного натяжения, воздушные шары — сила Гука (упругости), колобки — давление (прямое формование), Луна и Солнце — сила тяготения. При этом сила тяжести на Земле никогда не образует круглой формы предметов, а в космосе, напротив, за счёт больш х масс никакие другие силы не в состоянии и конкурировать с силой всемирного тяготения, в редких случаях играя роль вспомогательных факторов. (Иванов Алексей: «идеально круглой формы не существует; перечисленные тела имеют разное происхождение, и их круглая форма не образовалась в результате одного процесса».)

37. Почему приливы мы видим только в море, и не видим их на суше или в воздухе, ведь Луна, по идее, должна притягивать все предметы одинаково?

См. конец текста ответа на вопрос № 182 (стр. 112).

38. Почему поезда во Владивосток и Пекин, которые южнее Москвы, отправляются с Ярославского вокзала в северном направлении?

См. ответ на вопрос № 356 (стр. 127, кратчайшее расстояние).

39. Почему говорят: «Светит, а не греет»? Про что можно так сказать и почему? А бывает ли наоборот?

«Светит, а не греет» — можно сказать про любой источник, который излучает в оптическом диапазоне на малой мощности. Наоборот можно сказать о мощных источниках электромагнитного излучения с максимумом спектра в инфракрасной области. Пример — утюг.

52. Почему считается, что Вселенная расширяется?

Прежде всего, необходимо подчеркнуть, что использование термина «Вселенная», а также обсуждение её наблюдаемых свойств имеет смысл только начиная с масштабов пространства больше чем 100 Мпс, т. к. до расстояний в сотни Мегапарсек ещё прослеживаются такие космические структуры, как скопления галактик (1 парсек = 3,085 · 1018 см).

Наиболее впечатляющим наблюдательным фактом, говорящим о расширении видимой Вселенной, является закон Хаббла. Как было установлено, все линии в спектрах далёких галактик смещаются в сторону бльших длин волн, причём степень этого смещения прямо пропоро циональна расстоянию до данной галактики. Красное смещение спектра1 интерпретируется как доплеровское смещение, связанное с удалением излучающей галактики от нас. Таким образом, скорость «убегания» всех далёких объектов в космосе увеличивается пропорционально расстоянию до них. Коэффициент пропорциональности между скоростью и расстоянием получил название постоянной Хаббла и составляет около 60 (км/с)/Мпс или 2 · 1018 с1.

Расширение Вселенной равномерно и одинаково во все стороны.

Принимая удаление галактик за расширение всего пространства, можно определить, что расстояние до объектов, удаляющихся от нас со скоростью света (т. н. «световой горизонт Вселенной»), составляет около 1,5 · 1028 см, а общее время, прошедшее с момента начала расширения Вселенной (т. н. «Большой Взрыв») составляет 10–20 миллиардов лет.

Другим наблюдательным фактом, свидетельствующим о расширении Вселенной, является т. н. «реликтовое излучение». Оно было открыто в 1965 г., по сути случайно, при калибровках радиоаппаратуры, и представляет собой слабое фоновое радиоизлучение. Оно приходит к нам равномерно со всех сторон с очень высокой степенью изотропности (до 105 ). Максимум этого излучения находится на длине волны 1 мм, а в целом его спектр соответствует планковскому распределению энергии при температуре 2,7 К. Нам не известны какие-либо космические объекты, которые могли бы создать такое излучение в современную эпоху.

Единственным объяснением этого феномена является излучение самой Вселенной в раннюю эпоху, когда её среда впервые стала прозрачной для излучения. Это произошло, по расчётам, около 106 лет после Взрыва при температуре 4·103 К и плотности материи 1021 г/см3. В эту эпоху впервые электроны и протоны смогли объединяться в атомы, 1 Наибольшие длины волн видимого диапазона соответствуют красному цвету.

образовалось вещество, а электромагнитное излучение «отделилось»

от него.

За прошедшее с тех пор время Вселенная значительно расширилась (примерно в 1000 раз), длина волны реликтового излучения во столько же раз увеличилась, его температура — уменьшилась, а плотность вещества во Вселенной уменьшилась до современного значения — 1029 г/см3.

53. Почему в экспедиции Магеллана в счёте дней пути оказалась ошибка в 1 день?

См. стр. 309 (в тексте ответа на вопрос № 950).

54. Почему звёзды Ковша Большой Медведицы носят арабские имена, ведь у арабов нет медведей?

См. вопросы № 117, стр. 97, № 1053, стр. 331.

55. Почему кольца Сатурна не разваливаются?

См. вопрос № 119, стр. 99.

56. Почему нам «позволено» любоваться только одной стороной Луны? Почему именно этим боком, а не другим?

В движении Луны есть одна особенность, которая позволяет сказать, что Луна в каком-то смысле «остановилась». Период её вращения вокруг собственной оси точно синхронизован с её орбитальным периодом вокруг Земли, и поэтому Луна всегда повернута к Земле одной и той же стороной. Это явление носит название гравитационного резонанса, и физическая причина его состоит в том, что из-за сильного приливного возмущения, которое Земля порождала в теле Луны, возникало торможение её (Луны) вращения, а энергия вращения приливными силами переводилась частично в тепло, а частично в энергию орбитального движения. Поскольку само тело Луны сильно несимметрично (в направлении Земли оно выступает на величину около 1 км), и к тому же именно на видимой стороне Луны преобладают более плотные магматические «моря», то её «околоземный» бок «перевешивает». Моменты инерции тела Луны относительно осей, направленных на Землю и вдоль Лунной орбиты, различаются на весьма существенную величину: 0,02%. По-видимому, это и определило выбор той части лунной поверхности, которая была предоставлена человечеству для любования им на протяжении всей истории, вплоть до 7 октября 1959 г.

(в этот день советская станция «Луна–3» сфотографировала её обратную сторону).

57. Почему астрономы отмечают День осеннего равноденствия 23 сентября, а весеннее равноденствие происходит на 2 дня раньше — 21 марта?

Из-за эллиптической формы своей орбиты Земля одну её половину проходит быстрее, чем другую.

На самом деле, если просто подсчитать число дней по календарю, то за счёт месяца февраля, укороченного на 3 дня, и за счёт «дополнительного» 31-го дня в августе (в честь Августа), весеннее равноденствие наступает не на 2 дня, а на 7 или 8 дней раньше в зависимости от високосного года. Так что неравномерность нашего календаря не только не является причиной этого, а наоборот, будучи отражением неравномерного движения Солнца, остаётся все же «недостаточной» для компенсации этого разрыва. В 1998 году Солнце пересекло небесный экватор снизу вверх (т. е. изменило своё склонение с отрицательного на положительное) 20 марта в 19 часов 54 минуты 31 секунду всемирного времени (UT), а в обратном направлении — 23 сентября в 5h 37m 11s UT. Таким образом, период от весеннего равноденствия до осеннего, когда Солнце находилось выше небесного экватора, составил 186,4046 суток. При общей продолжительности года в григорианском календаре в 365,2425 суток, на противоположный период от осеннего до весеннего равноденствия остаётся 178,8378 суток, или на 7,5668 дня (!) меньше.

Происходит это из-за того, что орбита Земли вокруг Солнца не круговая, а эллиптическая с эксцентриситетом 0,017 (о том, что такое эллипс и эксцентриситет, см. примечание на стр. 253). Поэтому в точке перигелия (ближайшей к Солнцу), которую Земля проходила в 1998 году 04 января в 21h 15m 01s UT, её расстояние от Солнца составляло 147 099 552 км, а в противоположной точке орбиты, в афелии, где Земля была 03 июля в 23h50m 11s UT, это расстояние было 152 095 605 км, т. е. на 5 млн км больше. Это изменение расстояния до Солнца также хорошо заметно по изменению его видимого углового размера, который от 32 34 в январе уменьшается до 31 30 в июле. Так что можно обоснованно утверждать, что на Земле самый «солнечный и тёплый» месяц в году — январь, а самый «холодный» — июль.

В соответствии со 2-м законом Кеплера, момент количества движения тела по орбите постоянен, а соответственно, его орбитальная скорость обратно пропорциональна радиусу-вектору. Поэтому скорость движения Земли по орбите также не постоянна, а изменяется от 29,5 км/с в верхней части орбиты (июль) до 30,3 км/с в нижней (январь). Соответственно, и расстояние от точки осеннего равноденствия на орбите до весеннего Земля проходит пропорционально быстрее, чем противоположную, летнюю часть.

64. Почему древние мореходы (египтяне, финикийцы, греки) пользовались для ориентирования в море Большой Медведицей и не пользовались Полярной звездой?

См. вопрос № 569, стр. 179, а также стр. 186.

65. Почему у Турции на флаге полумесяц расположен вертикально, а у Мавритании — лежит плашмя?

См. вопрос № 800, стр. 221.

74. Почему во время полного лунного затмения мы Луну всё равно видим? Какого она при этом цвета и почему?

Обычно Луна наблюдается на небосводе в соответствии с циклами лунных месяцев либо в виде растущего месяца на заходе солнца, либо полной Луны, либо «стареющего» месяца перед утренним восходом.

В период новолуния она не видна вовсе, т. к. теряется в лучах зари.

Но иногда около полнолуния, во время своей полной фазы, Луна как бы «проваливается» в некоторую тёмную яму, что и называется лунным затмением. Как всем хорошо известно, происходит это в том случае, когда Луна в своём орбитальном движении вокруг Земли попадает в её тень. Причём затмения Луны происходят далеко не во всякое полнолуние. Поскольку лунная орбита наклонена относительно эклиптики в среднем на угол 05 09, в большинстве случаев Луна в полнолуние «проскакивает» выше или ниже земной тени в пространстве.

Поскольку Солнце значительно больше Земли, и его видимые размеры изменяются от 32 35 до 31 31, то Земля отбрасывает за собой тень в виде конуса, сходящегося под тем же углом, и имеющего длину от 1 386 719 до 1 341 320 км, что примерно в 4 раза больше, чем радиус орбиты Луны. На расстоянии, соответствующем расстоянию до Луны (которое изменяется от 356 400 до 406 700 км) поперечный линейный размер земной «геометрической» тени составляет от 8840 до 9445 км, что в 2,5–2,7 раза превышает размеры Луны (радиус Луны равен 1738,2 км).

Поэтому легко отличить по внешнему виду фазы Луны (например, первую четверть) от лунного затмения. Отделяющий освещённую часть терминатор Луны всегда проходит через лунные полюса и представляет собой половину эллипса размером с саму Луну, в то время как край земной тени всегда является частью окружности значительно большего диаметра, чем Луна.

Продолжительность полной фазы лунного затмения может достигать двух часов. Помимо полной фазы, когда Земля полностью затмевает собой Солнце, Луна до и после неё проходит также и зону полутени, в которой диск Солнца перекрыт только частично. Очевидно, что конус полутени является расходящимся от Земли с тем же углом, что и видимый размер Солнца, и на орбите Луны его размер2 составляет 16300 км.

В отличие от полной тени, границу полутени на диске Луны различить нельзя, поскольку освещённость её поверхности очень плавно возрастает до нормальной величины.

Поскольку в момент лунного затмения Земля физически перекрывает собой световой поток от Солнца и Луна лишается своего освещения, то понятно, что явление лунного затмения наблюдается на всей ночной половине земного шара одновременно. При этом местное время полной фазы затмения будет для каждого наблюдателя на земной поверхности разным и определяется его географической долготой.

Непременным условием для того, чтобы лунное затмение всё-таки случилось, является встреча Луны, движущейся по своей орбите, с земной тенью, которая в качестве «противосолнца» движется по эклиптике.

Точки пересечения орбиты Луны с эклиптикой называются узлами орбиты, и если земная тень отстоит от узла меньше чем на 10.6, то затмение возможно. В зависимости от конкретных конфигураций узлов лунной орбиты, фаз Луны и положения земной тени на протяжении года может не произойти ни одного лунного затмения, а самое большее их может быть три за год.

Между тем, во время полной фазы лунного затмения, когда Луна полностью находится внутри конуса земной тени, мы всё-таки можем различить Луну на фоне тёмного неба. Естественно, что никакие прямые солнечные лучи на поверхность Луны не попадают. Однако, часть солнечного света преломляется в земной атмосфере, как в призме, и заходит внутрь конуса геометрической тени. Можно сказать, что Луна 2 Диаметр сечения конуса плоскостью, проходящей через Луну и перпендикулярной направлению Луна—Земля.

при этом освещена светящейся земной атмосферой. За счёт частичного рассеяния коротковолновой части спектра в нижней атмосфере, этот преломлённый солнечный свет создает относительно тусклый т. н. «пепельный» или «багровый» цвет Луны. Не случайно, наряду с солнечными затмениями, когда наступал мрак среди бела дня, затмения Луны также производили всегда «неизгладимое» впечатление на древних и суеверных людей, которые с ужасом наблюдали, как меркнущая Луна «наливается кровавым светом». Ожидания последствий подобных «небесных знамений» были далеко не оптимистическими.

82. Почему мы не видим, как рождаются звёзды?

Звёзды рождаются при сжатии газо-пылевого облака, при достаточно высокой степени сжатия, когда разогрев в центре достаточен для «поджигания» термоядерных реакций. Смерть звезды наступает, когда звезда перестает находиться в устойчивом состоянии при нормальных параметрах (плотности, размерах, хоть как-то сопоставимых с солнечными). В этом смысле звёздам уготовано несколько видов смертей, в зависимости от их начальной массы.

При M 1,4 массы Солнца звезда «умирает», становясь новым белым карликом, при 1,4 M 3,3 умиранию соответствует рождение нейтронной звезды как остатка взрыва сверхновой. При M 3,3 смерть знаменует образование чёрной дыры. Все случаи смерти можно наблюдать, и все они — результат истощения ядерного топлива.

Нейтронные звёзды и чёрные дыры проявляют себя по специфическому виду спектра излучения и характеру воздействия на обычные звёзды-спутники.

Глава 2. Совсем «детские» вопросы.

102. Сколько звёзд на небе?

См. ответ на вопрос № 117, стр. 97.

103. Какого цвета Солнце?

См. ответы на вопросы № 3 (стр. 73) и № 811 (стр. 224).

107. А кто наоборот, — самый холодный?

См. ответ на вопрос № 630, стр. 190.

108. Какая звезда на небе самая яркая?

См. ответ на вопрос № 114, стр. 93.

111. Как бы Вы у себя дома смогли наглядно показать своему приятелю, что такое невесомость?

Прежде всего, для дальнейшего правильного ответа на этот вопрос, необходимо разделить физические понятия массы, которой обладают все материальные тела всегда, независимо от внешних условий, и веса, который тела приобретают, будучи:

а) помещёнными в поле тяготения;

б) находясь там в состоянии динамического покоя; и, наконец,

в) взаимодействуя при этом с каким-либо иным физическим телом, которое играет роль опоры (подставки или подвеса), и обеспечивает тем самым данный динамический покой.

Сила, с которой рассматриваемое тело взаимодействует с опорой, и будет называться весом данного тела в данном поле тяготения.

Поскольку в задаче просят продемонстрировать невесомость, не выходя из дома, то, соответственно, поле тяготения тем самым определено, как поле тяжести на поверхности планеты Земля с ускорением свободного падения 981 см/сек2 (космические и лунные станции пока рассматривать не будем). Соответственно, невесомостью будем называть те или иные состояния тел, когда их вес равен нулю (при условии наличия самого тела).

Наиболее распространённой и часто упоминаемой невесомостью является так называемая «динамическая невесомость», когда рассматриваемое физическое тело находится в равноускоренном движении под действием силы тяжести. Однако, здесь имеется та хитрость, столь же часто упускаемая из виду, что просто свободный полёт какого-либо тела куда бы то ни было невесомостью не является, поскольку при этом отсутствует опора (другое не менее физическое тело), сила взаимодействия с которым в процессе полёта должна быть равна нулю. Поэтому простое подпрыгивание или подбрасывание задачу в строгом смысле слова не решает. Часто предлагаемое многими юными исследователями «выбрасывание» приятеля из окна тем более не способствует конструктивному решению, поскольку в условии прямо просили не выходить из дому в процессе создания невесомости.

Для продуктивной демонстрации необходимо позволить свободно двигаться не только рассматриваемому телу, но также и его опоре, наблюдая при этом нулевое значение силы взаимодействия между ними. Лучше всего в данном сценарии предоставить свободу движения грузу (только небольшому) на пружинных весах (лучше на безмене, т. к. он удароустойчивее), которые во время непродолжительного полёта явственно покажут своей стрелкой на нулевое значение веса упомянутого груза. Достаточно нагляден и типичный школьный пример с полоской бумаги (например, газетной), зажатой между двумя грузами (например, книгами), свободно выходящей между ними при свободном полёте и рвущейся при других способах её изъятия. Наконец, желающие попрыгать, могут и это себе позволить, посадив приятеля себе на плечи и наслаждаясь его (приятеля) кратковременной невесомостью (при условии обеспечения безопасности окружающих лиц и предметов).

Хотелось бы обратить внимание на предложенную одним из участников конкурса весьма интересную и нетривиальную демонстрацию динамической невесомости с помощью конструкций малой упругости, распрямляющихся в полёте.

Другой, не менее распространённой невесомостью является гидроневесомость, обеспечиваемая силой Архимеда в жидких и газообразных средах. Рыбки в аквариуме, чаинки в стакане, всевозможные предметы, погруженные в ванной, шарики и мыльные пузыри в воздухе (а за пределами дома, — подводные лодки и дирижабли) являются примерами архимедовой гидроневесомости относительно опоры (воды или воздуха). Нужно заметить, что оба рассмотренных выше типа невесомости активно используются для тренировки космонавтов. Динамическая невесомость создаётся в самолёте, летящем по специальной кривой, близкой к параболе; а гидроневесомость, — в гидробассейне Звёздного городка, где под водой помещается целиком космический корабль или орбитальная станция.

Среди иных сил физической природы, способных компенсировать силу тяжести, промышленное применение имеет электромагнитная невесомость, первоначально реализованная в виде т. н. «гроба Магомета», а на современном техническом уровне в виде поездов на магнитной подвеске.

Наконец, в качестве определённого курьёза, можно привести пример «фазовой» невесомости. Если в чайник налить немного жидкой воды и поставить его на огонь, то через некоторое время вес чайника уменьшится на величину ранее налитой воды, присутствие которой, тем не менее, в виде водяного пара будет явственно ощущаться и в чайнике, и в кухне в целом. Аналогичным образом ведет себя «сухой лёд» (углекислота в твёрдой фазе), используемый в лотках мороженого.

В заключение, исходя из определения невесомости и условий её создания, можно указать также на гравитационные экраны, препятствующие распространению поля тяготения на определенные области пространства, и источники антигравитации, локально компенсирующие силу тяжести, которые, однако, до настоящего времени не обнаружены и промышленные образцы которых не созданы.

114. Вы взглянули на небо. Как отличить звезду от планеты?

Человек с древнейших времён смотрел на небо и видел на нём и звёзды, и планеты. И все долгие века и тысячелетия наблюдений человек смотрел «невооружённым» глазом, ведь первый телескоп изобрёл и направил в небо Галилео Галилей только в 1609 г. Между тем, планеты всегда отличали от звёзд; человечество знало 7 т. н. «планет», которые располагались на небе «по рангу»: Луна, Венера, Меркурий, Солнце, Марс, Юпитер, Сатурн.

Первым, наиболее сильно «бросающимся в глаза» отличием является яркость планет, или их блеск. В современной астрономии видимую яркость любого объекта на небе обозначают в т. н. «звёздных величинах», обозначаемых индексом m. Увеличение блеска на 1m означает уменьшение потока света в 2,512 раз3. Помимо Солнца и Луны, которые и без того самые яркие на небе (и которые в современном смысле слова планетами не являются), остальные планеты, видимые невооружённым глазом, также занимают в небесной «табели о рангах» самые высокие по яркости места (см. таблицу).

На всём небе всего 4 звезды имеют отрицательные значения своей видимой звёздной величины: Сириус (1,45m ), Канопус, Арктур и Cen); и ещё 5 штук — около 0m (Ахернар, Капелла, Ригель, Процион, Вега). Таким образом, ярче Сатурна (когда его кольца повёрнуты ребром) на всём небе могут быть всего 9 звёзд, а ярче Меркурия — только Сириус и Канопус. Правда, блеск внешних планет может уменьшаться по мере удаления от положения противостояния, т. к. при этом возрастает их удаление от Земли, а внутренних планет — в зависимости от их фазового угла, т. е. освещения со стороны Солнца. Но зато Сатурн может и увеличить свой видимый блеск, если развернёт свои кольца в нашу сторону.

Некоторым дополнительным фактором, помимо блеска, для «узнавания» неяркой планеты может служить и её цвет. Сатурн имеет характерный жёлтый цвет, а Марс всегда был знаменит своим красным цвеЭто число называется отношением (числом) Погсона по имени Н. Р. Погсона, предложившего это отношение для звёздных величин в 1856 году. Это — приближённое значение (но по точности вполне достаточное в тех случаях, когда вообще имеет смысл использовать понятие звёздной величины).

Для справки:

100 = 2,511886432... 2,512; 2,5125 = 100,0226083 Объект Видимая звёздная Видимый диаметр диска величина (в секундах дуги) от 26,82m до 25,96m от 1955 до 1891 Солнце (в разных (в разные сезоны) спектральных системах) от 12,73m до 7m от 2008 до 1762 Луна (в зависимости от фазы) (в разных точках орбиты) 4,22m 61 Венера (в наибольшей элонгации) (в нижнем соединении) 3,84m (глядя с Солнца) 17,6 (глядя с Солнца) Земля 2,6m (в противостоянии) 46,86 (в противостоянии) Юпитер 2,02m 17,88 (в противостоянии) Марс (в противостоянии) 0,2m 10,9 Меркурий (в наибольшей элонгации) (в нижнем соединении) +0,7m (в противостоянии 19,5 (в противостоянии) Сатурн без колец) том. Именно своему красноватому оттенку Марс обязан и своим именем, как «бог войны». Более того, такую же яркую красную звезду в созвездии Скорпиона ( Sco, видимая величина V = 1,0m, спектральный класс М1) специально, чтобы отличать от этой планеты, назвали Антаресом, т. е. «противо-Аресом» (Арес — бог войны у греков).

Вторым важнейшим фактором, отличающим планеты от звёзд, является факт их перемещения на небе. Собственно само слово «planet»

означает «блуждающее светило». Блуждают на небе они не беспорядочно, а по определённым правилам «планетного движения».

Во-первых, они придерживаются заданной «полосы движения» по небу, которая называется эклиптикой. Это место, где случаются затмения (= eclipse), или зодиак, т. е. «круг зверей» (zoon = животное). Никакая планета не может «навестить», например, Медведицу или Южный Крест.

Во-вторых, внутренние (относительно Земли) планеты совершают вокруг Солнца периодические «качания», никогда не уходя от него далеко. Наибольшее угловое удаление, или элонгация, Меркурия составляет 28, а Венеры — 48. Поэтому Венера с древнейших времён носит название «утренней» или «вечерней» звезды (в зависимости от её западной или восточной элонгации), а Меркурий чаще всего «тонет» на заре в лучах самого Солнца.

Внешние планеты могут занимать вдоль эклиптики любое положение относительно Солнца. Они также движутся среди звёзд на запад, но медленнее Солнца, которое их периодически «нагоняет». Забавно, что когда внешняя планета занимает противоположное относительно Солнца положение, которое называется противостоянием, она начинает «своевольничать» и, демонстрируя свою независимость, движется в обратную сторону, с востока на запад.

Это движение планет называется «попятным», и его средние значения даны в таблице:

Меркурий Венера Марс Юпитер Сатурн Уран Нептун Плутон Планеты отличаются от звёзд ещё одним параметром — их видимым диском (см. таблицу выше). Однако, сам по себе видимый размер диска планет, к сожалению, не может служить надёжным показателем того, что перед нашим взором не звезда, а планета, т. к. предел углового разрешения нормального зрения человека составляет всего около 1 угловой минуты. Кроме Солнца и Луны обычный человек (при хорошем зрении) может различать только диск Венеры при её максимальном приближении к Земле (в нижнем соединении). Забавно, что мать Иоганна Кеплера обладала очень хорошим зрением и могла различать фазы Венеры, и отчасти её заслуга в том, что сам Кеплер впоследствии заинтересовался астрономией вообще и орбитами планет в частности.

Не будучи наблюдаемым непосредственно, диск планеты, между тем, служит первопричиной самой «наглядной» и заметной визуальной особенности планет: в отличие от звёзд планеты не мерцают!

Действительно, наиболее близкие к нам и крупные по размеру звёзды имеют видимые диски на пределе дифракционного разрешения крупных телескопов. Рекордсменом является красный сверхгигант Бетельгейзе ( Ori, видимая величина 0,42m, спектральный класс М2, светимость 22400 L Солнца), который имеет собственный размер в 300 раз больше Солнца и с расстояния 200 парсек виден под углом около 0,01 угловой секунды. Иными словами, даже для большого телескопа звёзды остаются практически точками, и их лучи можно считать практически параллельными друг другу.

Приходя к поверхности Земли, лучи света пронизывают земную атмосферу и в её нижних слоях встречают на своём пути турбулентные вихри, порождённые температурными неоднородностями. Размеры температурных неоднородностей воздуха составляют 10–25 см и больше, а располагаются они от приземного слоя до границы тропосферы (от 7 до 17 км в зависимости от широты). И хотя эти неоднородности по величине весьма малы, всего доли градуса ( C), однако этого оказывается достаточно, чтобы из-за зависимости коэффициента преломления воздуха от его температуры длина пути луча света изменилась на доли длины волны. Это в свою очередь приведёт к искажению фазового фронта световой волны и малому, но заметному отклонению луча света в данной области от прямой линии. Величина этих «уклонений» составляет от долей до нескольких угловых секунд.

Поэтому при прохождении параллельных лучей света через атмосферу на какой-либо перпендикулярной поверхности вместо равномерного освещения образуется хаотичный узор световых пятен, которые к тому же находятся в постоянном движении (дрожании) с частотой от единиц до нескольких сотен Герц.

Этот эффект называется атмосферным дрожанием изображения.

Примеры атмосферной турбулентности можно наблюдать визуально по изображению далёкого предмета, глядя вдоль нагретой солнцем поверхности или сквозь пламя свечи.

Когда мы ночью смотрим на звёзды, наш зрачок глаза расширяется в темноте до 5–8 мм, но по сравнению с размерами неоднородностей и «световых пятен» всё равно остается практически «точечным»

приёмником света. Соответственно, освещённость, создаваемая какойлибо звездой на зрачке и далее на сетчатке глаза, быстро и хаотически изменяется от максимального значения и до нуля, иными словами, звезда «мерцает». Временное разрешение нашего зрения составляет около 0,1 с, поэтому за каждую секунду глаз успевает заметить несколько наиболее ярких всплесков света от звезды. А поскольку разные световые импульсы от звезды попадают при этом и на разные светочувствительные клетки (палочки) в сетчатке глаза, то видимые на небе звёзды представляются нам не только «мерцающими», но к тому же ещё и «лучистыми». Именно так, «с лучами» всегда звёзды и изображают, хотя в действительности никаких лучей там нет.

Если наблюдать звёзды в телескоп, который имеет существенно больший размер объектива, чем зрачок глаза, то, начиная с размеров 0,5–1 м, на всю площадь зеркала телескопа будет приходиться уже несколько разных атмосферных неоднородностей. Поэтому в больших телескопах звёзды, во-первых, уже не мерцают, а, во-вторых, их изображение начинает распадаться на несколько отдельных световых пятен, которые называются «спеклами». Размер каждого спекла определяется дифракционным пятном для данного объектива (например, для зеркала диаметром 1 м дифракционное разрешение в видимом свете составляет около 0,1 ). Все спеклы располагаются (и «дрожат») внутри т. н. диска атмосферного дрожания, размеры которого в десятки раз больше и составляют 1–5 угловых секунд.

Именно атмосферное дрожание представляет собой наиболее серьёзное препятствие для повышения углового разрешения наземных телескопов, и астрономы всегда стараются разместить свои инструменты в местах с наилучшими астроклиматическими условиями (например, на вершинах гор). На территории бывшего СССР одним из лучших мест по этому параметру является Среднеазиатская обсерватория на горе Майданак близ г. Самарканда, где в условиях высокогорной пустыни качество атмосферных изображений нередко достигает 0,3.

Теперь нам уже нетрудно будет понять, почему планеты не мерцают.

Если даже самая маленькая планета Меркурий имеет угловой размер около 11, то понятно, что это не только намного больше, чем размеры отдельных спеклов, но и превышает размер всего диска дрожания.

Поэтому наш глаз, направленный на планету, принимает её свет одновременно от разных её участков по разным траекториям в атмосфере, и все дрожания отдельных лучей складываются и сглаживаются.

Правда, из каждого правила бывают и исключения. Автору посчастливилось наблюдать впечатляющее НЛО 11 августа 1999 г. около полуночи на берегу озера Телецкое. Внезапно на восточном берегу озера над вершинами горного хребта появился очень яркий компактный светящийся объект, который совершал резкие скачки из стороны в сторону и постоянно давал яркие вспышки света. Создавалось полное впечатление, что над вершиной горы что-то летает туда-сюда и «шарит прожектором». К счастью, через 10–15 минут дрожание объекта улеглось, и стало ясно, что это интригующее явление не что иное, как восход Юпитера, а его «скачки» и «вспышки» объяснялись на низких углах чрезвычайно высокой турбулентностью воздушных потоков, восходящих над вершинами гор.

–  –  –

118. Говорят: «звезда первой величины». А каких вообще величин бывают звёзды?

См. вопрос № 558, стр. 176 и вопрос № 812, стр. 227.

119. Могут ли разные части одного небесного тела вращаться в разные стороны?

Многие участники Турнира справедливо начинали своё изложение данного вопроса с того, что вращательное движение, как и любое другое движение, всегда является относительным, и прежде чем говорить, кто, куда и как вращается, необходимо определиться с системой отсчёта.

Вращение любого тела или части тела происходит (или не происходит) относительно выбранного направления или иного выбранного тела.

Частным, но частым случаем вращения является дифференцированное вращение многих астрономических объектов.

Строго говоря, в природе нет (и не может быть) абсолютно жёсткого тела, которое вращалось бы, не изменяя взаимного положения своих частей. Даже если взять нашу собственную планету Земля, которая с обыденной точки зрения является телом «вполне твёрдым», то все её оболочки движутся, и зачастую в разные стороны. Например, материки раньше (около 300 млн. лет назад) образовывали единый сверхматерик Пангею, а с тех пор расползлись в разные стороны — кто куда (Давыдова Юля: «много лет назад материки на Земле были совершенно в другом положении»). Произошло это из-за движений в мантии Земли, вещество которой в одних местах поднимается из глубин, а в других — опускается, образуя огромные конвективные ячейки, вращающиеся в разные стороны. Правда, скорость этих движений маленькая — 1–5 см/год. В обратную сторону относительно общего вращения Земли поворачивается её глобальное магнитное поле (т. н. «западный дрейф», см. вопрос № 951, стр. 311) со скоростью 0,2 в год.

Более быстрые вращательные движения в разные стороны можно видеть в других оболочках Земли: например, поверхностные течения в Мировом океане образуют замкнутые циклы, вращающиеся против часовой стрелки (если смотреть на них сверху) в южном полушарии, и по часовой стрелке — в северных частях Тихого и Атлантического океанов. В середине Тихого океана можно наблюдать и вовсе удивительную картину: севернее и южнее экватора идут пассатные течения на запад, а вдоль самого экватора — противотечение на восток.

Дифференцированно вращается и атмосфера Земли: в экваториальной зоне пассаты дуют с востока на запад (по ним так любил путешествовать Тур Хейердал), а в средних широтах господствует перенос воздушных масс в противоположном направлении — с запада на восток.

Наиболее выражены эти ветра в южном полушарии, принёсшие печальную известность «ревущим сороковым» широтам, и образующие там антарктическое «течение западных ветров».

В качестве ещё более наглядного примера вращения в разные стороны можно привести такие локальные вихри в атмосфере, как циклоны и антициклоны. Разность в направлении их вращения обусловлена различием в вертикальном движении воздушных масс: в центре циклона (область низкого давления) воздух поднимается вверх, а в антициклоне (область высокого давления) — опускается вниз. Циклоны и антициклоны обычно живут от нескольких дней до нескольких недель — что позволяет, учитывая скорость и направление их движения, составлять прогноз погоды (которая существенно зависит от атмосферного давления).

Если отойти от нашей родной планеты к иным небесным телам, то и там во многих случаях мы увидим и дифференциальное вращение, и конвективные ячейки. Наиболее впечатляющим примером таких движений является атмосфера Юпитера, которая разбита на зоны и полосы, в которых воздушные массы поднимаются и опускаются, которые вращаются с разными угловыми и линейными скоростями, и между которыми образуются столь замечательные вихри, как Большое Красное пятно и прочие, более мелкие. Такими же особенностями, хотя и менее выраженными, обладают все планеты-гиганты.

На примере нашей ближайшей соседки Венеры мы можем увидеть уникальное явление суперротации атмосферы. Сама планета Венера вращается в обратном направлении, с востока на запад очень медленно (период 243 дня), а её атмосфера (точнее, облачный слой на высотах 50–70 км) «несётся» со скоростью до 100 м/с и обегает всю планету за 4 дня. (Володин Андрей: «Венера крутится в другую сторону».) Дифференцированно вращается и Солнце, как это впервые было установлено в 1863 г. Ричардом Каррингтоном.

Скорость вращения солнечных пятен определяется зависимостью:

(14,44 3,0 sin2 ) /сутки, где — гелиографическая широта. Соответственно, период обращения деталей на поверхности Солнца составляет:

(26,75 + 5,7 sin2 ) суток (земных).

Пятна, которые ближе к полюсам, будут отставать, на экваторе — наоборот, обгонять средние («У Солнца существует зона, где вещество движется и вверх, и вниз»). За последнее время благодаря исследованиям колебаний поверхности Солнца развилось новое направление в физике Солнца — гелиосейсмология, которая установила, в частности, что внутренние части Солнца вращаются с одинаковой угловой скоростью (как твёрдое тело) и быстрее, чем поверхностный конвективный слой.

Если рассматривать в качестве единого объекта системы тел, постоянно движущиеся в едином гравитационном поле (соответственно, физически связанные воедино), то в пределах Солнечной системы можно привести примеры целого ряда обратных спутников планет, которые вращаются в противоположную относительно центральной планеты сторону. Наиболее знаменитым среди них является Тритон — гигантский спутник Нептуна (диаметр 2705 км!), который на расстоянии всего 355,3 тыс. км имеет наклон орбиты в 157. Это единственный случай, когда обратное вращение имеет столь крупный (подобный нашей Луне) спутник. Следующий известный пример — Феба, самый далёкий спутник Сатурна. Он движется по сильно вытянутой орбите (эксцентриситет 0,163 и радиус 12954 тыс. км) с наклонением 175.

При радиусе в 110 км, несинхронном вращении с периодом 9 ч, очень тёмной поверхности (альбедо 0,05) Феба, скорее всего, является захваченным астероидом. Самой большой коллекцией обратных спутников обладает Юпитер — их у него 4. Это самая далёкая группа юпитерианских спутников (от 21200 до 23700 тыс. км), наклонения орбит которых лежат в пределах от 145 до 164, а размеры составляют 10–20 км.

Одной из самых распространённых ошибок участников Турнира было утверждение об обратном вращении колец Сатурна. Как известно, кольца Сатурна состоят из отдельных частиц, и вращаются дифференцированно с периодами от 5,5 часов на внутреннем краю до 14,3 часа на внешнем, и, разумеется, в ту же сторону, что и сам Сатурн (его период — 10,5 ч). Кольца в своей средней части играют роль «сатурностационарных» спутников, так что если смотреть с «поверхности Сатурна» (т. е.

из его облачного слоя), то ближний край колец будет вращаться в одну сторону (обгонять вращение поверхности), а их дальний край — в противоположную (отставать).

Примеры обратного вращения отдельных «несознательных» объектов есть и в масштабах всей Солнечной системы, например, обратное движение кометы Галлея (наклонение 162 ). Ядра комет могут вращаться в различные, в том числе и в противоположные стороны относительно орбиты кометы и поворота её хвоста. Произвольным образом вращаются и астероиды. (Глинская Оксана: «метеоритное облако — в нём мелкие частицы вращаются и соударяются по-разному».) Если мы выйдем на галактические просторы, то и там мы обнаружим разностороннее вращение. В газовых туманностях отдельные части расширяющихся оболочек при взаимодействии с межзвёздной средой вполне могут приобретать вращательные движения (вихри), направленные в разные стороны, хотя и продолжающие свое генеральное движение вперёд. (Суплатов Дмитрий: «между разными частями пылевых облаков, называемых небулами, действуют разные силы притяжения».) Наиболее очевидным примером могут служить также кратные звёзды. Если в близких прах звёзд они вращаются, как правило, в ту а же сторону, что и их орбитальное движение, поскольку они родились из одного вихря газового облака, то в кратных звёздах компоненты отстоят далеко друг от друга, и орбитальные и вращательные движения членов системы могут быть совершенно разными. В шаровых звёздных скоплениях отдельные звёзды также имеют хаотическое распределение своих орбит. Вращаясь вокруг общего центра масс, каждый член скопления вполне может двигаться в противоположную сторону, нежели его сосед.

В галактиках, похожих на наш Млечный Путь, существуют разные подсистемы или разные «типы звёздного населения». Кроме галактического диска, содержащего газ и молодые звёзды, есть и т. н. «галактическое гало», которое состоит из более старых звёзд и имеет сферическую форму. Старые звёзды гало образовались, по-видимому, на ранних стадиях эволюции самой галактики, когда плоского диска в ней ещё не было. Движутся они подобно членам шаровых скоплений в произвольных направлениях, в т. ч. могут лететь и в противоположную сторону относительно вращения всей Галактики. Во многих спиральных галактиках обнаружены вихревые движения газа между соседними спиральными рукавами, так что по аналогии с динамикой атмосферы Земли они были названы галактическими циклонами и антициклонами. Естественно, что вращаются они в разные стороны.

Наконец, совсем необычный пример разностороннего вращения можно видеть в случае взаимодействующих и сливающихся галактик.

В галактике М 64, например, которая образовалась из двух слившихся галактик с разным направлением вращения, газопылевой диск во внутренней части вращается в противоположную сторону относительно вращения звёзд и газа на её периферии (Андреев Иван: «отмечена галактика, в которой система звёзд вращается в одну сторону, а газопылевой диск — в другую».) В центре некоторых эллиптических галактик (в которых газа обычно очень мало), обнаруживаются небольшие вращающиеся газопылевые диски, которые вполне могут быть «полупереваренными остатками» от ранее поглощённых галактик.

134. Все ли небесные тела круглые?

Как было сказано выше, сферическая форма небесного тела определяется действием силы тяготения; взаимное притяжение материи собирает всё вещество в наиболее компактную геометрическую форму (сфера), которая соответствует также и минимуму потенциальной энергии. (Дегтярёва Анна: «небесные тела максимально круглые, их круглость“ ” зависит от их размеров».) Сразу видны и возможные исключения из этого общего правила.

Если небесное тело мало (точнее, мала его масса), то прочность слагающего его материала может успешно противостоять малым гравитационным силам. По этой причине весьма некруглую форму имеют малые планеты (астероиды), малые спутники (например, Фобос) и ядра комет (например, кометы Галлея; см. вопрос № 762, стр. 211; «Ядро кометы Галлея имеет форму башмака»). (Одиноков Алексей: «мелкие тела могут иметь неправильную форму, т. к. действие сил сцепления между отдельными их частями превосходит действие гравитации».) По мере увеличения массы планеты давление вышележащих слоёв начинает всё быстрее превосходить предел пластической деформации нижних горных пород, и все неровности тела планеты начинают сглаживаться.

Поэтому, например, величайший вулкан Солнечной системы Олимп высотой 25 км может существовать на Марсе, но не может — на Земле.

У нас самый высокий вулкан Мауна-Кеа (4205 м) возвышается над окружающей океанической плитой (глубина океана около 5500 м) почти на 10 км. По мере дальнейших извержений такая постройка начнёт всё сильнее прогибать собственное основание и «тонуть», аналогично более старым вулканам в цепочке Гавайских островов, уходящей на северозапад.

Более массивные планеты-гиганты прячут свои тела под толстой и густой атмосферой столь тщательно, что само существование какойлибо границы между газообразной и твёрдой (или жидкой) оболочками этих планет остаётся до сих пор под вопросом.

Но для гигантов существенную роль начинает играть их быстрое вращение, заметным образом их «сплющивающее»:

Параметр Венера Земля Марс Юпитер Сатурн Уран Нептун 243 0,996 1,03 0,413 0,444 0,718 0,739 Период вращения, сут.

Экваториальный радиус, км Полярный радиус, км 0,0 0,0033 0,0053 0,0214 0,0338 0,0114 0,0175 Относительное сжатие Наиболее «круглыми» являются медленно вращающиеся тела как твёрдые (Венера), так и газовые (например, Солнце, см. выше — вопрос № 36, стр. 80).

Однако Солнце вращается так медленно (экваториальная скорость 1,93–2,03 км/с) потому, что «передало» весь свой угловой момент в планетную систему. Одиночные звёзды могут вращаться в сотни раз быстрее Солнца; например, для звёзд спектральных классов О и В типичными являются значения около 400 км/с. Центробежное ускорение на экваторе таких звёзд может составлять уже значительную долю от ускорения свободного падения; соответственно, они должны испытывать очень большое сжатие на полюсах.

Следующим интересным случаем несферичности звёзд является ситуация, когда в тесной паре звёзд один компонент является массивным и компактным (например, нейтронная звезда или чёрная дыра), а другой — красным гигантом. Тогда под действием приливного возмущения соседа гигантская звезда, вытянувшись, может так исказить свою форму, что изменение её яркости будет заметно из наблюдений.

Но в этом случае звезда будет принимать именно вытянутую форму («дыня»), а не сплюснутую, как при вращении («тыква»). В предельном случае, когда увеличивающийся в размерах гигант заполняет свою полость Роша4, внешняя часть его вещества начинает перетекать на другую звезду в виде струй газа, и в этом случае звезда вообще «теряет 4 см. стр. 343 свою форму». (Пантелеев Алексей: «система из 2 звёзд, где одна — белый карлик или чёрная дыра, а другая — обычная; при этом вторая звезда деформируется, и с неё начинает на первую слетать газ».) Многие небесные тела могут иметь при себе кольца или диски, которые будут отличать их от круглой формы. В нашей Солнечной системе таким примером является Сатурн, видимый при большом наклоне своих колец, как эллипс. Вокруг маломассивных звёзд и звёзд поздних классов нередко могут образовываться газопылевые диски, а вокруг нейтронных звёзд — диски аккреции.

Наконец, наиболее «бесформенными» небесными телами выглядят галактики, которые являются динамическими системами и состоят из большого числа звёзд (до 200 · 109 ). В зависимости от изначальной скорости их вращения, эллиптические галактики могут иметь форму от круглых (Е0) до дисковых (Е10 или S0). Если в галактике присутствует достаточное количество газа, то движущиеся облака могут сталкиваться между собой (в отличие от звёзд, которые только притягивают друг друга, но не сталкиваются непосредственно), терять при этом свою скорость, направленную поперёк плоскости галактики, и образовывать в ней вращающийся газопылевой диск. Если в таком диске разовьются спиральные волны плотности, то рождающиеся из межзвёздного газа новые молодые массивные и голубые звёзды «нарисуют» нам тот красивый узор, который мы видим обычно на фотографиях спиральных галактик. Если же в галактике газа совсем много, и молодое поколение звёзд рождается повсеместно и доминирует над старыми звёздами, то такая галактика может вообще не иметь у себя основной плоскости, и будет выглядеть, как неправильная (иррегулярная) галактика.

По аналогичным причинам достаточно произвольные формы имеют светлые и тёмные туманности внутри нашей Галактики любого происхождения (Туманность Ориона, Конская Голова, Северная Америка, Крабовидная туманность, и др.). Взаимодействующие галактики могут вообще принимать самые причудливые и оригинальные формы.

Особым случаем «некруглых» небесных объектов является искажение видимой формы далёких галактик и квазаров в т. н. «гравитационных линзах».

Что касается искусственных небесных тел, то они имеют ту форму, которую им придали их изготовители (первый советский спутник имел форму шара диаметром 58,3 см).

135. Что общего между Вселенной и пенопластом?

Наблюдения говорят, что Вселенная имеет ячеистую, пористую структуру. В самых больших масштабах скопления галактик распределены в пространстве однородно, но на масштабах поменьше однородность структурируется: «пустоты» окружены «тонкими стенками».

Так и у пенопласта.

142. Предложите наиболее простой способ измерения высоты Главного здания МГУ им. М. В. Ломоносова на Ленинских (Воробьёвых) горах. Предложите наибольшее число способов измерения высоты здания, основанных на разных принципах.

Сама по себе задача об измерении высоты большого здания известна давно и существует в разных вариантах. Соответственно, и большинство обсуждаемых ниже способов также «не новы». Однако, именно Главное здание МГУ им. М. В. Ломоносова на Ленинских (Воробьёвых) горах существенно отличается от многих и многих иных высотных зданий.

Соответственно, те, кто в данной задаче рассматривал «абстрактный небоскрёб» (типа WTC), неизбежно впадали в ошибки, скорее всего, превосходящие по своей величине требуемые в условии задачи 10% точности.

Все рассматриваемые способы условно можно разделить на геометрические и физические методы.

Наиболее часто в качестве самого простого геометрического способа предлагался такой: измерить высоту одного этажа, пересчитать все этажи и перемножить одно на другое. (Некоторые дотошные участники предлагали даже пересчитать все кирпичи.) Но, во-первых, где гарантия, что высота разных этажей одинакова? (Для МГУ она точно разная.) А во-вторых, ГЗ МГУ — не прямоугольный небоскрёб, а пирамида сложной архитектурной формы, значительная часть которой вовсе не имеет этажей. Кроме верхнего шпиля, в ней имеются еще много других «внеэтажных» вставок. Только при условии высокой аккуратности в визуальных измерениях можно, наверное, определить данным способом высоту «равномерно-этажной» части здания, а затем сопоставить её с полной высотой и при этом не выйти за пределы заданной точности.

Не самый простой, но ещё более распространённый способ — метод подобных треугольников, с помощью которого ещё Фалес, по преданию, измерил высоту египетских пирамид. Само подобие треугольников обеспечивается либо единой линией визирования на вершину шпиля и предмет известной высоты, либо по лини тени от Солнца.

Как известно, для определения искомой высоты в большом треугольнике достаточно измерить основания в малом и большом треугольниках, а затем взять пропорцию относительно известной высоты малого треугольника. Метод, конечно, классический, можно надеяться, что не подведёт, но... Но опять-таки, в отличие от прямоугольного небоскрёба или любого иного отвесного обрыва в случае с пирамидой не ясно, как же измерить длину основания большого треугольника? Ведь её центральная точка (место на горизонтальной плоскости, куда проецируется её вершина) остаётся недоступной для нас. Если мы просто измерим расстояние до ближайшей стены ГЗ МГУ, то допустим большую ошибку, ведь вершина здания находится не только выше, но и дальше!

(Некоторым облегчением данного противоречия может служить метод параллельного переноса измеряемого расстояния от ближайшей стенки до центра здания вбок от линии визирования, например, на параллельную улицу.) В случаях, когда нельзя измерить расстояния до основания объекта непосредственно, применяют метод треугольников на разном удалении.

Не трудно заметить, что угол возвышения любого объекта уменьшается по мере нашего удаления от него. Таким образом, если измерить сначала угол возвышения шпиля ГЗ МГУ вблизи здания (но не подходя к нему вплотную), а затем — на большем удалении, и не забыть измерить то расстояние, на которое нам пришлось при этом «отодвинуться», то из системы двух треугольников с одной и той же высотой, но разными длинами, нетрудно получить формулу для искомой общей высоты. Данный метод вполне точен, хотя простым его, пожалуй, не назовёшь.

Близким по смыслу к рассмотренному является и метод горизонтальных параллаксов, тем более, что в астрономии метод параллаксов является основным методом измерения расстояний. Перемещаясь перпендикулярно направлению на интересующий нас объект, можно измерить, как меняется величина угла направления на него в зависимости от пройденного расстояния. Из треугольника, образованного двумя крайними положениями наблюдателя и верхней точкой здания, можно определить расстояние до неё по наклонной плоскости. А затем, измерив угол возвышения, наклонное расстояние уже можно перевести в высоту всего здания.

Очень близок к методу параллаксов и «чисто астрономический»

метод определения высоты здания по суточному движению светил.

Состоит он вкратце в следующем: если от высокого здания отойти на достаточное расстояние к северу, то светила в южной стороне неба, очевидно, будут двигаться на фоне здания с востока на запад почти горизонтально. Суточное движение светил, видимое нами, отражает, как известно, собственное вращение Земли вокруг своей оси со скоростью 1 оборот за 24 часа. Можно найти (подобрать) такую точку на горизонтальной поверхности, что какое-нибудь светило (яркая звезда или планета) окажутся точно на линии, соединяющей наблюдателя и верхний конец шпиля здания.

Тогда, двигаясь по поверхности земли на восток, можно так подобрать скорость своего «вышагивания», что выбранная нами звезда будет постоянно визуально совмещена со шпилем. Наше перемещение на восток в данном случае будет вполне аналогично нашему «суточному вращению» вокруг верхнего конца шпиля здания. Соответственно, измерив скорость такого перемещения, нетрудно определить радиус нашей «суточной орбиты», т. е. расстояние до верхушки шпиля (а по нему и по углу возвышения шпиля над горизонтом — и искомую высоту здания). Данный метод «по звёздам» более точен для светил, выбранных около небесного экватора, т. к. звёзды на высоких склонениях движутся тем медленнее, чем они ближе к полюсу мира. Кроме этого, при вычислениях по Солнцу нужно брать продолжительность солнечных суток (24 часа), по звёздам — звёздных суток (23 ч 56 мин), а при использовании Луны нужно учитывать её собственное движение.

Наверное последним чисто геометрическим способом измерения высоты здания (или иного возвышенного места), который мы здесь упомянем, является измерение величины понижения видимого горизонта при поднятии наблюдателя на большую высоту. Очевидно, однако, что измеряемый эффект ввиду огромных размеров земного шара очень мал, и данный метод никак нельзя назвать простым. Не думаю, чтобы ктонибудь из учащихся смог бы реализовать такие измерения с требуемой по условиям задачи точностью (см. также стр. 114).

Из физических методов наиболее общеизвестным является способ, использующий свободное падение предметов и позволяющий вычислить высоту падения по времени полета. Однако, помимо учёта сопротивления воздуха (на таких высотах и скоростях падения оно будет уже оказывать существенное влияние на измерения), о котором упоминали немногие, самым главным препятствием для «бросания камушков с крыши» будет опять-таки факт «неудобной» формы здания и недоступности самой верхней точки шпиля для нашего с Вами её непосредственного посещения. Ведь если кто-то хочет измерить высоту падения по времени падения, то «ронять» камушек во избежание ошибок нужно с нулевой начальной скоростью. Со шпиля МГУ в таком случае до земли ни один «камушек» не долетит, а потеряется по пути где-то на промежуточных крышах. Некоторые участники Турнира предлагали со шпиля построить такой балкончик, чтобы он выступал за периметр всего здания, — ну это уж совсем маниловщина!

Отчасти преодолеть данное противоречие (недоступность центральной точки) можно, переведя процесс падения в процесс подбрасывания. Дело в том, что как раз недалеко от ГЗ МГУ в некоторые дни действительно случается «подбрасывание» предметов на высоту, даже несколько превышающую общую высоту всего здания. Во время государственных праздников миномёты специального типа (именуемые также «салютницы») выстреливают вверх заряды фейерверка. Если установить (по техническим параметрам миномёта) скорость выстреливания заряда, то можно рассчитать высоту верхней точки его полета, а затем сравнивая залпы салюта со зданием ГЗ, прикинуть и его высоту. К сожалению, от этого метода трудно ожидать высокую точность результата.

Некоторые участники для измерения высоты здания предлагали использовать равномерное вертикальное движение. Многие упоминали лифт. В принципе такой подход также возможен, если известна скорость движения кабины лифта. Однако, во-первых, нужно помнить, что ни один лифт от земли до верхушки шпиля всё равно не ходит.

Соответственно, это возвращает нас к методу измерения высоты здания «по частям». Во-вторых, движение скоростных лифтов на самом деле всегда очень неравномерное: они должны плавно разгоняться вначале и тормозиться в конце движения, а учесть эти эффекты аккуратно достаточно сложно.

Также предлагалось для реализации равномерного вертикального движения запустить рядом со зданием воздушный шарик и засечь время его подъёма до уровня шпиля. Может быть, может быть...

(Желудкова Дарья: «можно рассчитать среднюю скорость подъёма воздушного шара, например, с гелием».) Нужно только независимо и достаточно точно измерить скорость подъёма такого шарика и быть уверенным, что во время полёта его не сдует в сторону какой-нибудь шальной порыв ветра (а около высоких зданий всегда ветрено).

Ещё можно высоту подъёма определить по барометрической формуле — так, как определяют высоту своего полёта на всех самолётах.

Поскольку давление воздуха с высотой уменьшается по известному закону, то имея в руках барометр (на самолётах — альтиметр) и попав каким-либо образом (хотя и не понятно, каким) на верхушку шпиля, можно вычислить, на какую высоту относительно земли мы при этом поднялись. Возможно, что такое измерение удовлетворит и уровню требуемой точности.

Ещё более тонкий физический эффект, проявляющийся с высотой, состоит в том, что по мере подъёма мы удаляемся от центра Земли, а соответственно, при этом некоторым образом уменьшается и сила тяжести. Измерить уменьшение ускорения свободного падения с высотой теоретически можно с помощью эффекта замедления колебаний маятника, однако, достичь требуемой точности подручными средствами едва ли возможно.

Наиболее «продвинутые» школьники предлагали не мучаться вычислениями, а воспользоваться космическими навигационными системами («взять GPS»).

Наконец, напомним, что в условии задачи помимо всяких разнообразных способов измерения высоты требовалось указать и наиболее простой. По мнению автора, проще всего определить высоту ГЗ МГУ можно, если заметить, что все здание представляет собой по форме пирамиду с углом у основания 45 градусов. Убедиться в этом можно с помощью карандаша на вытянутой руке, гладя, например, со смотровой площадки. Соответственно, высота от основания до верхушки шпиля со звездой равна точно половине длины главного фасада здания, которое нетрудно измерить шагами, что автор и сделал.

Глава 3. Крутится-вертится шар голубой

160. Известно, что можно определять стороны света по часовой стрелке. Каким образом это можно сделать, находясь в Эфиопии? А в Новой Зеландии?

В наших широтах половина (биссектриса) угла между 12 и часовой стрелкой, направленной на Солнце, показывает юг, в Новой Зеландии — между 12, направленной на Солнце, и часовой стрелкой — север, а в Эфиопии этот метод не действует.

Обычный метод определения сторон света по Солнцу и часовой стрелке, как известно, состоит в следующем: часовая стрелка на циферблате направляется на Солнце, угол между ней и цифрой 12 делится пополам, и эта линия и есть направление на юг (для декретного времени берётся цифра 1, для летнего декретного — цифра 2). Этот метод даёт приемлемую для ориентирования на местности ошибку до 30 в северных широтах (выше 50 ), где Солнце можно предполагать движущимся вдоль южной части горизонта слева направо с угловой скоростью, вдвое меньшей, чем угловая скорость часовой стрелки, и находящимся над точкой юга приблизительно в 12 часов среднего солнечного времени, или в 13 часов декретного, или в 14 часов декретного летнего времени.

В экваториальной части Земли (например, в Эфиопии) Солнце на небе движется почти перпендикулярно линии горизонта, проходя около полудня недалеко от зенита. Очевидно, что ориентирование по Солнцу и часам в это время практически невозможно. В утренние часы, от 6 до 9 часов, Солнце поднимается на восточной стороне горизонта, а в вечерние — с 15 до 18 — опускается на западной.

В южном полушарии Земли Солнце движется вдоль северной стороны горизонта справа налево, в обратную сторону относительно часовой стрелки. Данный метод также можно применять в высоких южных широтах (например, в Новой Зеландии), только на Солнце нужно направить цифру 12 на часах (или 1, или 2, соответственно), а не стрелку, и полученное направление биссектрисы угла между Солнцем и стрелкой будет показывать направление на север, а не на юг.

182. Действительно ли Земля имеет форму шара?

Имеет ли Земля форму шара? Этот вопрос один из самых древних в астрономии, можно даже сказать, что проблема формы и размеров Земли была той задачей, из которой родилась вся наука человечества.

Опуская всевозможные предания всяческих народов мира о плоских и иных формах Земли, первое упоминание о сферической форме Земли содержится в дошедших до нас пересказах сочинений Фалеса Милетского (около 624–547 г. до н. э.). Аналогичное мнение относится к мыслям Пифагора (ок. 570–500 г. до н. э.) о мировой гармонии сфер.

Его идеи в дальнейшем развивали многие последователи пифагорейской школы. Первые научные наблюдательные доказательства шарообразности Земли приведены Аристотелем (384–322 г. до н. э.) в его сочинении «О небе» (ок. 360–340 г. до н. э.). Аристотель указывает на круглую тень Земли во время лунных затмений и изменение высоты светил при перемещении с юга на север. Он впервые дал и оценку размеров земного шара, который много меньше по сравнению с величиной звёзд: 400 000 стадий в окружности (60–75 тыс. км).

Первое в истории измерение размеров Земли произвёл греческий астроном Эратосфен Киренский (276–194 г. до н. э.) около 230 г. до н. э.

Он знал, что в южном Египте в городе Сиена (Асуан), который лежит на северном тропике, в день летнего солнцестояния лучи Солнца падают вертикально, а предметы не отбрасывают тени. В этот же полдень он измерил высоту Солнца и у себя, в г. Александрии на берегу Средиземного моря, и обнаружил, что здесь Солнце отклонено от вертикали на 1/50 часть окружности (истинная разница по широте составляет 6 47 или 1/53 часть). Зная расстояние между Александрией и Сиеной по земле (около 5000 стадий), Эратосфен весьма точно определил длину земной окружности в 252000 стадий (в зависимости от истинного значения египетской стадии это составляет от 36690 до 45000 км).

Позднее Эратосфен возглавил Мусейон (Дом Муз в Александрии, он же Музей), — крупнейший научный центр не только Египта, но и всего древнего мира. Он же первым создал и географические карты с обозначением на них меридианов и параллелей.

Через полтора века, в 85 г. до н. э. другой александриец Посидоний применил принципиально иную методику градусного измерения дуги меридиана. Он наблюдал звезду Канопус, самую яркую в созвездии Киль, из двух разных мест, и по разнице её высоты над горизонтом получил величину окружности Земли в 180000 стадий (32400 км).

В 100 г. китайский учёный Цай Пи в сочинении «Гайтянь» («Покрывающее небо») описал Землю и небо, как две параллельные сферические поверхности, отстоящие друг от друга на 80000 ли (46080 км).

Индийский астроном и математик Ариабхата (476–?) в своём труде «Ариабхатиам» описал Землю, как вращающийся шар. Тем забавнее через 900 лет после Аристотеля и 800 лет после Эратосфена встречать в «Христианской топографии» Козьмы Индикоплова (?–550 г.) рассуждения о плоской прямоугольной Земле, помещённой внутри Вселенной в виде ящика по образцу Скинии Завета божьего.

В Китае попытка измерения длины дуги меридиана по методу градусных измерений была предпринята в 725 г. под руководством Нань Гун-шо. Расстояние между городами Хуанчжоу и Шанчай было измерено непосредственно, а разность широт конечных пунктов (более 2 ) определялась по изменению высоты полюса мира. Через 100 лет, в 827 г.

по приказу Багдадского халифа аль-Мамуна, известного как покровитель астрономии и точных наук, в пустыне Синджар между реками Тигром и Евфратом было выполнено градусное измерение дуги меридиана. Длины отрезков на местности измерялись с помощью колышков и веревочек, а на конечных пунктах базового расстояния определялись высоты звёзд. Длина 1 дуги меридиана составила 56,6 арабские мили (113 км, истинное значение — 111,8 км). Таким образом, и китайцы, и арабы, как и древние греки, прекрасно знали истинные размеры сферической Земли.

Между 1022–1024 гг. Бируни (973–1048) применил метод измерения радиуса земного шара по величине понижения видимого горизонта и описал его в своём капитальном трактате «Геодезия» (1025): «Я нашёл в земле индийцев [в Пенджабе] гору, возвышающуюся над широкой равниной, поверхность которой гладка, как поверхность моря. Я искал на вершине горы видимое место встречи неба и земли, то есть круг горизонта, и обнаружил его ниже линии восток-запад менее чем на треть и четверть градуса (34 угловые минуты). Затем я определил высоту горы (652,05 локтей)... ». Из расчётов Бируни длина 1 дуги меридиана составляла 110275 м (истинное значение 110895 м для этой местности).

Европейцы первыми в истории добились фактического подтверждения шарообразности Земли — им стало кругосветное плавание Магеллана и Эль Кано в 1519–1522 гг. (см. вопрос № 950, п. 14, стр. 307). Но первое измерение размеров Земли в Европе случилось через 17 веков (!) после Эратосфена. Только в 1528 г. Жан Фернель путём подсчёта числа оборотов колеса экипажа измерил расстояние от Парижа до Амьена. Величина 1 дуги меридиана у него составила 110,6 км. Ещё век спустя, в 1614–1617 гг. голландский астроном Виллеброрд Снеллиус впервые применил метод триангуляции, когда линейная протяжённость большой дуги на поверхности Земли измеряется через систему последовательно сопряжённых треугольников. Его измерение 1 дало 107335 м. Наконец, в 1671 г. член Парижской академии Жан Пикар (1620–1682) опубликовал свой труд «Измерение Земли», в котором не только сообщил результаты высокоточных триангуляционных измерений в 1669–1670 гг. дуги Париж-Амьен (1 = 111210 м, истинное значение 111180 м), но и высказал предположение о том, что истинная форма Земли — не шар!

Буквально через год, в 1672 г. Жан Рише, проводя наблюдения Марса в Кайенне (Гвиана в Южной Америке, широта +5 ), обнаружил явление замедления периода секундного маятника по сравнению с его периодом в Париже. Это было первое инструментальное свидетельство уменьшения силы тяжести на экваторе.

Это открытие вновь заострило бурный спор, имевший место в то время в европейской науке. Дело в том, что в соответствии с теорией всемирного тяготения Ньютона, вращающиеся тела (в том числе наша Земля) должны принимать форму сплюснутого эллипсоида, а по теории эфирных вихрей Декарта, напротив, вытянутого сфероида. Поэтому вопрос об истинной форме Земли для ньютонианцев и картезианцев был принципиально важен. Дыня или тыква, огурец или помидор, мандарин или лимон — эта дилемма имела воистину вселенское значение. Директор Парижской обсерватории Джованни Доменико Кассини (1625–1712) с 1683 г. начал проводить новые обширные работы по градусным измерениям уже на длинной дуге — от нормандских берегов Франции на севере до испанской границы на юге. К сожалению, из-за смерти Кольбера (министр финансов Людовика 14) и самого Кассини работы прерывались и были завершены его сыном Жаком Кассини (1677–1756) только в 1718 г., а результаты опубликованы в 1720 г. Кассини также был картезианцем по своим взглядам и даже вступил в спор с Ньютоном, утверждая, что земной шар имеет вытянутую форму.

Сам Ньютон давал теоретическую оценку сжатия Земли в 1/230.

Чтобы окончательно разобраться с «дынями», «помидорами» и прочими «лимонами», Французская академия наук в 1735 г. организовала две грандиозные по тому времени экспедиции к экватору и полярному кругу. В Лапландию (66 с. ш.) отправились Пьер Мопертюи и Алексис Клеро, где измерили дугу протяжённостью 57 30 и получили длину 1 равной 57422 туаз (111,9 км). В Перу под руководством академика Пьера Бугера (1698–1758) методом триангуляции была измерена дуга от +0 2 30 с. ш. до 3 04 30 ю. ш., по которой длина 1 составила 56748 туаз (110,6 км). Результат этой экспедиции стал первым опытным подтверждением сплюснутости Земли, что могло иметь место в случае, когда Земля имеет форму эллипсоида вращения. В честь этого события была даже выбита медаль, на которой изображённый Бугер слегка опирался на земной шар и слегка его сплющивал.

Первую теорию фигуры Земли предложил в 1743 г. Алексис Клод Клеро (1713–1765). Теоремы Клеро устанавливают связь между формой Земли, её вращением и распределением силы тяжести на её поверхности, тем самым были заложены основы нового направления науки — гравиметрии. В 1841 г. Фридрих Бессель (1784–1846) установил для Земли форму сфероида со сжатием в 1/299,15, а в 1909 г. Джон Хейфорд получил эллипсоид с экваториальным радиусом 6378,3884 км и сжатием 1/297,0, который использовался в качестве стандарта до 1964 г.

Фундаментальные определения были выполнены в 1940 г. Ф. Н. Красовским и А. А. Изотовым и опубликованы в 1950 г. Эллипсоид Красовского очень близок к современной системе астрономических постоянных, принятых Международным астрономическим союзом: экваториальный радиус Земли 6378160 ± 3 м, полярный радиус 6356779 м, сжатие 0,0033529 = 1/298,25. При этом было введено и экваториальное сжатие 1/30000. Таким образом, некоторым промежуточным приближением формы Земли служит трёхосный эллипсоид, у которого разница между экваториальным и полярным радиусами составляет 21381 м, а экваториальные радиусы в направлении Африки и Бразилии отличаются на 200 м.

На самом деле, истинная форма Земли на уровне точности в сотни метров уже не может быть представлена ни одной достаточно простой математической фигурой, и для её представления применяется понятие геоида. Геоид — условная поверхность равного потенциала (поверхность равновесия), совпадающая с поверхностью свободно покоящейся воды в открытом океане. Отклонения геоида от эллипсоида не превышают, как правило, 100 м. Тем не менее, при условном представлении отклонений реальной формы Земли от аналитической фигуры, эти отклонения напоминают по форме грушу: «шишка» на северном полюсе и «провал» в Антарктиде. С помощью современных методов определения координат, в том числе и высоты над уровнем моря (спутниковые навигационные системы GPS, радиоинтерферометрические измерения и т. д.) реальная поверхность Земли описывается огромным массивом данных, при этом положение любого репера в трёхмерном пространстве может быть определено с точностью до сантиметра.

Не надо путать форму Земли (геоид) с её реальной твёрдой поверхностью. Очевидно, что рельеф литосферы в океанах располагается ниже поверхности геоида, а на материках — выше (говорят: «высота над уровнем моря»). Самая глубокая (относительно геоида) точка литосферы расположена в Марианском желобе (11022 м), а самая высокая — г. Джомолунгма (8848 м). Наибольший перепад высот рельефа находится около Южной Америки, где разница высоты Анд (гора Аконкагуа — 6960 м) и прилегающего Чилийского желоба (максимальная глубина — 8180 м) составляет 15140 м.

Интересно напомнить, что форма Земли изменяется во времени.

На ранних этапах существования Земли, как планетного тела, она вращалась вокруг своей оси значительно быстрее; предполагается, что древние земные сутки могли составлять 4-5 часов. Очевидно, что сжатие Земли в ту эпоху было значительно больше современного (попробуйте оценить самостоятельно — на сколько?). С течением времени скорость вращения Земли замедляется (примерно на 15% за полмиллиарда лет), а её форма, соответственно, «округляется».

На меньших отрезках времени и меньших масштабах по высоте существенную роль играет геотектоника плит. Как известно, материки «плавают» по поверхности магмы, как льдины по воде, и, перемещаясь, искажают при этом форму геоида на величины 100 м за времена 200 · 106 лет.

Наиболее «быстрыми» искажениями формы Земли являются приливы — гравитационные возмущения от Луны и Солнца. Наиболее известны эти возмущения в водной оболочке Земли, хотя присутствуют они и в атмосфере, и в литосфере. Теоретическая высота прилива (т. е. искажение формы геоида вследствие гравитационного возмущения от Луны) составляет около 50 см. Однако «приподнимание» «твёрдой»

земной поверхности из-за упругости тела Земли существенно меньше (10–20 см). Наибольшую величину имеют водные приливы, связанные с воздействием на океаническую приливную волну мелкого дна и узостей береговой линии (до 18 м в заливе Фанди).

Провалы вследствие землетрясений, извержения вулканов и иные изменения ландшафта на форму Земли не влияют.

187. На что похожа форма нашей Земли внешне? Как она меняется со временем?

См. вопрос № 182, страница 112.

Глава 4. Твердь земная

226. Ископаемое топливо (каменный уголь и нефть) образовались из деревьев и других органических остатков, которые находились, очевидно, на поверхности Земли. Почему же сейчас они залегают так глубоко, а над ними нередко возвышаются известняковые горы?

Почти все участники Турнира правильно указывали, что «захоронение» полезных ископаемых происходит из-за процессов, называемых осадконакоплением. Всё то, что в своё время находилось на поверхности Земли, с течением времени закрывается чехлом осадочных пород.

Однако, и здесь имеются определённые тонкости, связанные с механизмами образования осадков.

Многие указывали на выпадение космической пыли. Действительно, общая масса вещества, выпадающего из космоса на поверхность Земли, составляет до 400 т ежедневно. При этом подавляющее большинство метеоритов размером не больше 0,1 мм. Однако, для всего земного шара это очень мало, около 1 см осадков за 100 млн. лет. Безусловно, имеет место и определённое значение перенос пыли ветрами. Гораздо более существенным являются процессы выброса вещества при извержениях вулканов. Однако, самым значительным и «объёмным» по количеству перемещаемой породы является процесс её «горизонтального»

переноса потоками воды (реками) и ледниками. На Земле постоянно идут тектонические процессы поднятия (горообразования) и опускания части поверхности. На любых возвышенностях сразу же увеличивается выпадение атмосферных осадков (в высоких горах образуются ледники), которые начинают разрушать горные породы. Их обломки затем ледниками и реками выносятся на равнины и откладываются в низинах. В озёрах и болотах, кроме обломочного материала, накапливаются в больших количествах и органические осадки. Поскольку при мощном горообразовании и извержениях поднимаются глубинные магматические породы, то естественно, что осадочные породы имеют основную тенденцию к захоронению, и могут обнажаться на поверхности лишь при повторных поднятиях.

Многие правильно указывали на весьма древний возраст обсуждаемых полезных ископаемых. Нефть образовывалась в глубинных слоях, в условиях высоких температур и давлений, при отсутствии доступа кислорода из органических осадков девонского периода (возраст 400 000 000 лет), а каменный уголь — из древовидных растений геологического периода, который так и называется: «каменноугольный»

или карбон (300 000 000 лет). Напомним также, что нефть представляет собой смесь линейных и циклических углеводородов (до С25 и выше), а уголь — почти полностью восстановленный углерод (с примесями).

Укрытие их мощным осадочным чехлом за столь большое время проблемы не представляет.

Известняки представляют собой карбонат кальция CaCО3 с примесями. Как верно было сказано многими учащимися, в древние времена современная суша была (во многих местах) мелководными и тёплыми морями, в которых жили кораллы, моллюски и другие животные. Они активно строили свои скелеты, панцири и ракушки из CaCО3, который затем (после их гибели) откладывался на дне в виде известняковых пород. Однако, известняк, как известно, может растворяться в воде в тех случаях, когда в ней повышается содержание растворённого CО2.

Реакция:

CaCO3 (твёрд.) + CO2 (водн.) + H2 O (жидк.) Ca2+ (водн.) + 2HCO (водн.) может протекать в обе стороны в зависимости от концентрации веществ.

Примером таких процессов могут служить карстовые явления, образование сталактитов и сталагмитов. Ракушки также могут растворяться в глубоких, более холодных и насыщенных углекислотой водах океана.

Поэтому можно предположить, что в геологической истории нашей планеты процессы образования ископаемых топлив и отложения известняков происходили последовательно, в зависимости от изменения газового состава атмосферы Земли. Сначала произошло массовое производство свободного кислорода О2 за счёт фотосинтеза его растениями (см.

также вопрос № 421, стр. 142) и поглощение значительных количеств углекислого газа CО2 из атмосферы, перевод его в органическое вещество и последующее захоронение углерода в виде топлива (девон, карбон). После того, как баланс CО2 и О2 в атмосфере существенно изменился в пользу кислорода, CaCО3 начал накапливаться в виде известняков и мела (юрский и меловой периоды; 200–100 млн. лет назад).

В этом случае расположение известняков сверху от нефти и угля не только возможно, но и закономерно.

233. Сталкиваются два материка. Какой высоты при этом могут вырасти горы? А за какое время?

Как известно, твёрдая земная кора разделена на многие отдельные литосферные плиты, которые лежат на более пластичном (вязком) подстилающем слое мантии, которая называется астеносферой. За счёт медленных движений вещества мантии Земли, литосферные плиты перемещаются по поверхности тела Земли, подобно льдинам на поверхности потока воды. Естественно, что скорости и направления движений плит не совпадают, из-за чего они могут расходится или сталкиваться. Типичные скорости движения материковых плит составляют 1–2 см в год, наибольшие — до 10 см/год.

При расхождении литосферных плит образуются так называемые «рифтовые зоны», подобные узкой и длинной щели в земной коре, окаймлённой с обоих сторон параллельными горными хребтами. Наиболее грандиозными на Земле рифтами являются срединно-океанические хребты, которые тянутся на десятки тысяч километров вдоль центральных линий океанов. Но они скрыты от взгляда толщей воды, лишь в некоторых местах выступая над ней в виде групп островов. На суше примером рифтовой зоны является район озера Байкал. При столкновении литосферных плит они, подобно льдинам при торошении, начинают выталкивать свои края вверх. Если сталкиваются две материковые плиты, образуется так называемая «зона складчатости», самым выдающимся примером которой является Альпийско-Гималайский пояс.

В Гималаях, образованных столкновением Индостана (скорость движения на север около 3 см/год) с Евразией, находится большинство высочайших горных вершин мира (г. Джомолунгма — 8848 м над уровнем моря). Здесь же расположена и грандиозная скальная стена около вершины Дхаулагири, высотой около 3000 м. Если сталкиваются материковая плита (их толщина 20–30 км; самая толстая, — до 40 км, в середине Евразии) и океаническая (толщиной около 5 км), то возникает явление так называемой «субдукции», когда более тонкая океаническая плита подминается вниз и «подныривает» под материк, расплавляясь затем в мантии. При этом край материка приподнимается и образует линейный горный хребет, а место погружения океанической плиты на поверхности Земли знаменуется океаническим желобом. Такими двойными системами «хребет—желоб» практически со всех сторон окружён Тихий океан, потому что на его океанические плиты со всех сторон «наезжают» другие материки и платформы. Здесь в паре Марианских островов (хребет) и Марианского желоба расположена самая глубокая точка Мирового океана: отметка 11022 м. Однако наибольший перепад высот, соответствующий смыслу вопроса о максимальной высоте вырастающих гор, находится с другой стороны Тихого океана около Южной Америки, где разница высоты Анд (гора Аконкагуа — 6960 м) и прилегающего Чилийского желоба (максимальная глубина — 8180 м) превышает 15 км (15140 м !).

Оценка времени, которое необходимо для создания подобного типа горных систем, может быть легко сделана из сопоставления высоты гор и скорости движения литосферных плит. При скорости 1 см/год горы смогут «вырасти» до 10 км за 1 000 000 лет. Таким образом, создание значительных горных систем требует заметного времени, сопоставимого с длительностью геологических периодов. Время же существования глобальных горных систем может составлять десятки миллионов лет.

Более быстрым способом создания гор является вулканизм, когда расплавленная магма через трещины или другие каналы в земной коре выходит на поверхность и, растекаясь и застывая слоями, наращивает высоту образовавшегося вулкана. Самый высокий вулкан на Земле находится в группе Гавайских островов, — вулкан Мауна-Кеа (4205 м над уровнем моря), который возвышается над окружающей океанической плитой (глубина океана около 5500 м) почти на 10 км. (Кстати, самый высокий вулкан Солнечной системы находится на Марсе, — гора Олимп, и имеет высоту 25 км). Естественно, что горы не могут расти до бесконечности; более того, они принципиально не могут превосходить толщину материковых плит (20 км). Однако, существует и другой фактор, ограничивающий максимальную высоту гор ещё более жёстко, — вязкое (полужидкое) основание земной коры, — астеносфера. Она расположена на глубине 35 км, и её возникновение и расположение на этом уровне связано с пределом плавления горных пород, находящихся под давлением вышележащего материка. Любая горная система, достигнув некоторого критического значения, силой своего давления расплавляет подстилающие породы, продавливает их в мантию, и, вследствие этого, сама проседает ниже предельной высоты. Эта величина зависит от силы тяжести на конкретной планете, и составляет для Земли 10–12 км, а для Марса — 25 км.

Таким образом можно сказать, что вулканы Мауна-Кеа на Земле и Олимп на Марсе достигают предельной высоты и подниматься больше не могут. Процесс погружения потухших вулканов в мантию можно наблюдать на примере других Гавайских островов и подводных вершин вулканического происхождения, которые являются предшественниками о. Гавайи и расположены цепочкой от него на северо-запад, плавно понижаясь к ложу океана. Возраст всей этой системы вулканов около 5 млн. лет. Кроме этого, всякие горы, поднявшись выше 2–3 км над уровнем моря, неизбежно начинают активно собирать на себя атмосферные осадки, поскольку водяной пар в воздухе при подъёме на высоту охлаждается, конденсируется и выпадает на горы в виде дождя или снега. Образующиеся ледники начинают активно «стачивать» горные породы, а водные потоки выносят обломочный материал в долины. Горы быстро «стареют», разрушаются, и приобретают вид пологих возвышенностей. Примером таких гор является Уральский хребет, являющийся «швом» между Русской платформой и Западно-Сибирской низменностью, возраст которого составляет десятки миллионов лет, а максимальная высота (гора Народная) — 1896 м.

257. Какая сила воздвигает горы?

Cм. ответ на вопрос № 233, стр. 120.

260. Где горы выше — на Земле, Венере, Марсе или на Луне?

Cм. ответ на вопрос № 233, стр. 120.

268. Наиболее красивые и удобные для обзора места в Москве (Крылатское, Поклонная гора, Воробьёвы горы, Коломенское) расположены на правом берегу Москвы-реки. Случайно ли это?

Не случайно, поскольку правые берега рек сильнее размываются.

Образование рек и эволюция речных долин, безусловно, являются не случайными, а определяются такими общими факторами, как интенсивность и периодичность выпадения осадков в данном регионе, особенности рельефа местности и свойства подстилающих пород. Во-первых, очевидно, что воды, стекающие с площади водосбора, в целом движутся по уклону рельефа, который и определяет генеральное направление собирающей реки.

Во-вторых, течение реки, встречая на своём пути локальные препятствия, будет отклоняться ими в ту или иную сторону, создавая повороты речного русла. В силу инерции движущейся воды на каждом таком повороте верхний, более быстрый слой будет отбрасываться к внешнему берегу, а придонный — к внутреннему. Создающееся при этом водоворотное течение будет интенсивнее подмывать внешний берег, переносить взятый материал и откладывать его на внутреннем берегу реки. За счёт этого механизма внешний берег на повороте речного русла будет постоянно отступать, а любые изгибы реки, соответственно, увеличиваться.

Эта принципиальная неустойчивость русла и способность рек к развитию своих изгибов и петель называется «меандрированием» (по реке Меандр в Малой Азии).

Замечено также, что все реки интенсивнее подмывают свой правый5 (по течению) берег, так что речные долины с течением времени смещаются вправо. Это явление получило название закона Бэра. Впоследствии было установлено, что в южном полушарии Земли реки подмывают свой левый берег. Это объясняется действием силы инерции в неинерциальной, вращающейся системе координат (Земля), которая называется силой Кориолиса. Она отклоняет любое движущееся тело вправо в северном полушарии и влево — в южном. Её величина пропорциональна скорости движения и синусу широты места6. СоответТолько в Северном полушарии; см. далее.

6В общем случае сила Кориолиса перпендикулярна и направлению движения ственно, в Евразии все реки «прижаты» в своих руслах к возвышенностям на правом краю речных долин. (Контрпример: Боровицкий холм Кремля — на левом берегу Москвы-реки.) тела, и оси вращения Земли, и равна FКориолиса = 2mv sin, где m — масса тела, v — скорость движения этого тела в системе отсчёта Земли, = 2/T — угловая скорость вращения Земли, T = 24 часа — период вращения Земли вокруг своей оси, — угол между направлением скорости тела v и осью вращения Земли. Поскольку реки обычно (но бывают и исключения — например, водопады) движутся параллельно поверхности Земли, как раз получается указанная в тексте зависимость силы Кориоллиса от широты.

Глава 5. Озёра, речки и лужи «Если мальчик обходит лужу стороной, а не прыгает в неё сразу обоими ногами, — значит, он вырос.

»

311. Какие Вы знаете реки — истоки древнейших цивилизаций? Почему цивилизации зарождались именно в долинах крупных рек?

Cм. ответ на вопрос № 1051, стр. 327.

Глава 6. Раскинулось море широко

352. Нетрудно подсчитать, что на поверхности Земли сила притяжения к Солнцу намного больше, чем к Луне. Почему же лунные приливы выше солнечных?

Поскольку Луна существенно ближе к Земле, чем Солнце, то лунная приливная сила оказывается больше.

Сила гравитационного притяжения пропорциональна массе M притягивающего тела и обратно пропорциональная квадрату расстояния R до него. Соответственно, на поверхности Земли сила притяжения к самой Земле (MЗемли = 6 · 1027 г, RЗемли = 6378 км) составляет 1 g, к Солнцу (MСолнца = 2 · 1033 г, RСолнца = 150 · 106 км) — 0,00058g, а к Луне (MЛуны = 7 · 1025 г, RЛуны = 384 · 103 км) — всего 0,0000031g, т. е. в 190 раз слабее, чем к Солнцу. Очевидно также, что в однородном силовом поле никаких приливов не будет.

Однако, поле тяготения не является однородным, а имеет центр в притягивающей массе M. Соответственно, для любого тела с конечными размерами будет существовать разница сил тяготения на противоположных краях, которая и называется приливной силой. Нетрудно показать, что приливная сила, как производная от силы тяготения, обратно пропорциональна третьей степени расстояния 1/R3 от центрального тела. Поэтому Луна, которая находится к Земле существенно ближе, несмотря на свою малую массу, создаёт приливную силу почти в 2 раза большую, чем Солнце.

Каждое из этих светил создаёт во внешних оболочках Земли, прежде всего в океане, длинную приливную волну, два горба которой расположены на ближней и дальней сторонах Земли. Естественно, что лунный прилив движется по поверхности Земли вслед за движением Луны, а солнечный, вдвое меньший, — за Солнцем. Во время полнолуний и новолуний, когда Луна и Солнце встают относительно Земли примерно на одну прямую, их приливные волны складываются, и наступает максимальный, т. н. «сизигийный» прилив; а когда они во время первой или последней четвертей Луны расходятся на небе на 90, т. н. «квадратурные» или разностные приливы имеют минимальную высоту.

Высота приливной волны в открытом море в тропической зоне (для бесконечного океана) составляет около 0,5 м, однако в реальных морях её высота и форма определяется береговой линией и распределением глубин. Максимальные по высоте океанические приливы на Земле наблюдаются в заливе Фанди (Северо-западная Атлантика) — до 18 м.

Приливы в земной коре, амплитуда которых составляет до 0,2 м, могут служить одним из «спусковых механизмов» для землетрясений.

356. «Титаник» на момент постройки (1912 год) был самым большим пассажирским пароходом в мире. Почему столь огромные суда стали нужны? Какие самые важные, на Ваш взгляд, последствия имела данная транспортная стратегия?

Какие суда ещё бльших размеров Вы знаете, и для чего они о были нужны?

357. «Титаник», как известно, шёл на побитие рекорда по скорости. Почему капитан отклонял курс корабля к северу, хотя Нью-Йорк расположен на 10 широты южнее Лондона?

«Титаник» вошёл в историю нашей цивилизации прежде всего, как пример человеческой самонадеянности, тщеславия и гордыни. «Сам Господь Бог не сможет потопить этот корабль», — из рекламы фирмы «White Star» тех лет. Результат известен. К сожалению, до сих пор любая человеческая деятельность, особенно технологическая, всегда связана со значительными факторами риска и неопределённости.

Северная Атлантика, связывающая Старый и Новый Свет, всегда была наиболее напряжённой судоходной линией, и на протяжении 19 века пассажиропоток на ней непрерывно возрастал. В Европе после развёртывания промышленной революции значительные массы людей становились пролетариями, и в условиях высокой рождаемости это приводило к образованию многочисленного населения, живущего на уровне нищеты. Америка, с другой стороны, в условиях огромных свободных пространств, экстенсивного развития и мощного промышленного подъма предоставляла широкие возможности для свободного применения труда и представлялась многим переселенцам «землёй обетованной».

Как образно сформулировала Надежда Степичева: «1912 год — год, когда только-только страны стали переходить на демократию, люди хотели почувствовать себя не затёртыми“ рабами своих господ, а свободными людьми, поддерживающими прогресс. Вот и понадобились большие суда».

В результате бурного развития судостроения, увеличения тоннажа и технических параметров судов был сформирован специальный флот регулярно отходящих судов, главным назначением которых была перевозка людей в Америку «по конвейеру». К первому десятилетию 20 века ажиотаж пароходных компаний Англии и Америки вокруг приза «Голубая лента Атлантики» достиг своего апогея. Этот символический приз присуждался за самый быстрый переход через океан по линии Лондон– Нью-Йорк. Обладание этим призом помимо престижных соображений и контрактов на перевозку правительственной почты служило мощным рычагом конкурентной борьбы за пассажиров.

Гонка разворачивалась следующим образом. В 1838 г. судно «Грейт Вестерн» со скоростью 8 узлов 7 сделало переход за 15 суток. В 1871 г.

пароход «Оушеник» показал скорость 14,5 узлов. В 1888 г. «Сити оф Парис» имел 20 узлов и шёл почти 6 суток. К 20 веку мощности паровых машин возросли до 5000 л. с., а скорость до 22,5 узлов. В 1906 г. фирма «Кунард» построила пароход «Кампания» длиной 209 м и водоизмещением 36000 т, в 1907 г. — «Лузитания» имела 247 м длины, 36000 т водоизмещения и ход в 25 узлов. В 1907 г. в Атлантике работало уже 116 лайнеров-турбоходов. Наконец, в 1909 г. фирма «Кунард» создала 71 морской узел = 1,87 км/ч «Мавританию» с параметрами: 240 м, 36000 т, 78000 л. с., 28 узлов.

Этот рекордсмен совершал трансатлантический переход меньше, чем за 5 дней (!).

По словам Владимира Григорьева: «В то время была гонка за всем большим».

Особенно острым перед первой мировой войной стало соперничество в области строительства больших судов между Англией и Германией:

Страна Корабль Длина, м Тоннаж, т Англия Аквитания 275 45000 Англия Олимпик 269 52000 Германия Император 280 60000 Германия Фатерланд 289 65800 Германия Бисмарк 291 64000 В этих условиях в 1909 г. фирма «White Star» заказала два однотипных судна: «Олимпик» и «Титаник». Они имели следующие параметры: длина 269 м, тоннаж 52000 т, мощность 55000 л. с., ход 22,5 узла (максимально до 25 узлов), вместимость 3500 пассажиров. «Олимпик»

первым вышел в рейс 20 сентября 1911 г. Таким образом, следующий, — «Титаник», был не самый большой и не самый быстрый пароход своего времени.

Широкая реклама линии «Белая звезда» шла под лозунгом: «Умеренная скорость, но повышенный комфорт». Главный фактор, на чём фирма хотела «сыграть» — это роскошь. Пароход предоставлял все удобства большого города, он был своего рода плавучий палас-отель, «экспресс миллионеров». На нём собрались самые богатые и известные люди того времени, несколько десятков «королей» бизнеса. Номер «супер-люкс» на нём стоил 4350 долл. (около 50000 долл. сейчас). Это был уже не столько собственно транспорт, а скорее место светских и деловых встреч «высшего общества». «Титаник» также рекламировался как непотопляемый и самый безопасный лайнер в мире; как говорили его пассажиры: «да за такие деньги он не утонет».

Кораблестроитель академик А. Н. Крылов дал такую оценку непотопляемости «Титаника»: «Богатая публика в обеспеченности корабля ровно ничего не понимает, требует не безопасности при аварии, а роскоши и удобства, ей надо, чтобы океанский переход мало чем отличался от непрерывного пикника с концертами и балами: а третьеклассных эмигрантов загоняли в нижний дек, где им было не многим просторнее, чем баранам в отаре». Большинство книг и фильмов про «Титаник» показывают только 1 класс, а чтобы понять условия 3 класса, полезно посмотреть фильмы про эмигрантов Чарли Чаплина.

Как утверждают некоторые источники, по приказу американской иммиграционной службы пассажиры 3 класса (иммигранты) были закрыты внизу на ключ без права доступа на верхние палубы.

Заметим также, что «Титаник» шёл не из Лондона. Вообще, с середины 19 века большинство, а с 20 века все крупные суда с пассажирами из Англии отправлялись из Саутгемптона, который является большой океанской бухтой на юге Англии, а в устье Темзы они бы просто не поместились. «Титаник» 10 апреля 1912 г. вышел из Саутгемптона в Шербур, а затем 11 апреля — в океан. Он имел на борту 1316 пассажиров и 891 члена экипажа, всего 2207 человек (т. е. 38% плановой загрузки).

14 апреля 1912 г. в 23 часа 40 минут8 в точке с координатами 41 46 с. ш. 50 14 з. д. при скорости 22,5 узла на расстоянии 900 м прямо по курсу был замечен айсберг. Несмотря на манёвр, через 38 секунд произошло касание его подводной части, и корпус судна получил прорезь шириной несколько десятков сантиметров и длиной около 100 м. Из 16 водонепроницаемых отсеков судна 5 были прорезаны, в результате его погружения произошло затопление 6-го, а затем и последующих отсеков. В полном соответствии с действовавшими требованиями Британского кодекса торгового мореплавания пароход имел 20 спасательных шлюпок, которых было достаточно для посадки 1178 человек, т. е. для 50% людей, находившихся в этот момент на борту и 30% от плановой загрузки. «Титаник» затонул в 02 ч 20 мин (общее время погружения составило 2 ч 40 мин) при штилевой погоде и температуре воды 2 С.

Как было показано на следствии, допуск пассажиров 3 класса на палубу произошёл в 01 ч 15 мин, когда большинство шлюпок от корабля уже ушло. Всего было спасено 703 чел из 2207, при этом спаслись 33% мужчин из 1 класса и всего 30% детей из 3 класса. Некоторые шлюпки были полупустыми, и впоследствии с воды ими было подобрано всего 13 чел. Иными словами, на «Титанике» осуществлялось «спасение по классам», право на жизнь зависело от цены билета и было предоставлено в первую очередь т. н. «высшему» обществу.

Сам «Титаник» был обнаружен на глубине около 4000 м в 1986 г.

Глубоководные съёмки показали, что при затоплении корпус корабля под действием собственной тяжести разорвался надвое. Корма судна отделилась и оказалась на дне на расстоянии 1600 м. Основная часть корабля с ходу врезалась и глубоко погрузилась форштевнем в грунт, 8 К сожалению, нам не удалось выяснить, к какому именно часовому поясу относится это время.

а затем также разломилась. В итоге корпус оказался разделённым на 3 части и множество обломков.

Прямое отношение к наукам о Земле и астрономии имеет, в отличие от вышеизложенного, вопрос о выборе курса для «Титаника». Многие из участников Турнира почему-то решили, что курс самого корабля был повёрнут на 10 к северу от западного направления, т. е. корабль якобы шёл по азимуту 280 (запад–северо-запад). Некоторое даже написали, что он пошёл из Лондона прямо на север. Это, разумеется, неверно, а последнее так и просто невозможно (там суша). В тексте вопроса обращается внимание, что это Лондон находится севернее Нью-Йорка на 10 по широте, а корабль, тем не менее, от западного направления отклонялся по курсу не на юг, а на север. Напомним, что широта Лондона — 51 30’, Саутгемптона — 50 55, Нью-Йорк расположен на 40 20, а место катастрофы — на 41 46 с. ш. Действительно, обычная трасса судов из Ла-Манша в Нью-Йорк сначала огибает с юга Корнуэллский полуостров Великобритании, а затем плавно поднимается к северу всего на 1–2 градуса по широте. Корабль на трассе никогда не становится севернее самого Лондона, а после 20 з. д. уже начинает опускаться к югу.

Данная «выпуклость» к северу объясняется сферической формой земного шара. Из геометрии известно, что кратчайшей линией на сфере между двумя точками является дуга большого круга, т. е. секущая плоскость должна проходить через центр сферы. Нетрудно сообразить, что поскольку плоскости больших кругов должны проходить через центр Земли, то линии кратчайших расстояний, соединяющие точки северного полушария, будут выгибаться к северу, и тем сильнее, чем больше разница долгот между конечными пунктами. Естественно, что трассы морских и воздушных судов по возможности приближены к линиям кратчайших расстояний. Поэтому, в частности, самолёты из Москвы во Владивосток летят через Таймыр и Якутск, а кратчайший беспосадочный маршрут из Москвы в Америку лежит через Северный полюс (перелёт Чкалова 1937 г.). Как справедливо отметил в своей работе Алексей Орловский: «моряки используют карты в меркаторской проекции, т. к. на них кратчайший маршрут — прямая линия».

Однако, помимо чистой сферической геометрии есть ещё один мощный геофизический фактор, влияющий на судоходство: течения. Господствующим в северной Атлантике является Гольфстрим — тёплое океаническое течение, которое идёт от Мексики, огибает Флориду, далее идёт вдоль восточного побережья США до широты Нью-Йорка, затем на северо-восток посреди Атлантического океана, окружает с севера Британские острова, входит в Норвежское и далее в Баренцево море.

Его ширина 50–75 км, скорость 4 узла на поверхности и около 1 узла на глубине 400 м. Температура воды на широте Флориды изменяется от +9 С на востоке до +20 С на западном краю течения.

Естественно, что для судов, «бьющихся» за «Голубую ленту Атлантики», где для победы важны даже доли узла, «океанская река», идущая со скоростью 4 (!) узла навстречу, является более чем существенным препятствием. Можно двигаться всё время южнее Гольфстрима и пересечь его непосредственно перед Нью-Йорком. В этом варианте все льды будут отсечены тёплым течением; это безопаснее, но... дольше.

Поэтому пассажирские лайнеры сначала, поднимаясь к северу, пересекали Гольфстрим западнее Великобритании и выходили в зону спокойных вод южнее Гренландии, там, где холодные «северные» воды, пришедшие из Арктики, встречаются с водами Гольфстрима и опускаются вглубь океана. Затем южнее Ньюфаундленда суда входили в попутное Лабрадорское течение, по которому вдоль американского берега уже спускались до Нью-Йорка. Выбор конкретного маршрута зависел от сезонных перемен в течениях, штормовой и ледовой обстановки по пути следования.

По оценкам, в северной части Атлантического океана образуется в среднем примерно 7500 айсбергов в год, которые затем Гренландским и Лабрадорскими течениями выносятся к югу, на судоходные трассы.

Из выступления на суде сенатора Исидора Рейнера: «северная трасса, по которой шёл Титаник“, была выбрана по приказу самого господина ” Исмея (директор-распорядитель компании). Он рисковал жизнями всех находившихся на судне людей, чтобы сделать быстрый океанский переход».

Вопрос о последствиях обсуждаемых событий не сводится только к пересмотру правил безопасности плавания и спасения людей на море (хотя и это, конечно же, очень важно). Ведь речь идёт о транспортной стратегии всего данного исторического периода. По-видимому, можно выделить и обсуждать два фактора, имеющих глобальную и историческую значимость.

По оценкам, за период 1904–1914 гг. из Европы в Новый Свет было переправлено около 20 млн. человек. Это целая европейская страна(!).

Это больше, чем все людские потери в 1 мировой войне, больше населения Московского региона в современную эпоху, сопоставимо с потерями СССР в Великой Отечественной войне. Это намного превосходит все прежние Великие переселения народов. Поэтому, во-первых, можно, пожалуй, утверждать, что американцы 19 и 20 века — это две разные нации. Кстати, когда поток людей в Новый Свет составил около 5000 человек в день (это два полных «Титаника» ежедневно (!)), американцы первыми в мире и именно для иммигрантов (т. е. будущих собственных граждан) применили такое административное изобретение, как концлагеря, хотя теперь, возможно, несколько стесняются этого.

Собственно сам «Титаник» играл роль «образцово-показательного»

парохода, так сказать, «для белых». В то же время подавляющее большинство судов, особенно из Германии, Италии и других беднейших стран, набивались «под завязку» и были обычными «скотовозами».

Утверждают, что существовали проекты судов ещё большей вместимости (до 5000 человек), но их просто не успели реализовать.

Вторым важнейшим фактором, имевшим далеко идущие последствия, стало то, что история «Титаника» предельно наглядно продемонстрировала пропасть между социальными слоями людей: первый и третий класс — это два разных мира. «Титаник» воспринимался как трагедия не судоходная, а социальная. Спасение людей «по билетам»

показало истинную цену т. н. «демократии» и т. н. «свободы». Кроме этого, впервые счёт жертв не в военном, а сугубо в техническом мероприятии пошёл на тысячи. Человеческая жизнь резко подешевела, и это воспринималось как психологический шок. Писатель Том Шейзл писал:

«Это был не просто корабль, это была капсула времени, унёсшая с собой в могилу весь блеск и тщеславие золотого века“». Закончился романтический 19 век, и через 28 месяцев после гибели «Титаника» началась эпоха мировых войн и революций.

Во время как первой, так и второй мировых войн пассажирские лайнеры, как правило, использовались в качестве войсковых транспортов на тех же линиях. В 1915 г. не менее знаменитый лайнер «Лузитания»

был торпедирован немецкой подлодкой и затонул всего за 20 мин.

После окончания 1 мировой войны гонка в Атлантике вновь разгорелась с новой силой. Сначала итальянский пароход «Рекс» показал 28 узлов. Затем в октябре 1932 г. во Франции была построена «Нормандия»: 312 м, 79200 т, 160000 л. с., 30 узлов. Великобритания ответила на вызов, создав в августе 1938 г. «Куин Мэри» (311,9 м, 81200 т, 31,69 узла), а в сентябре 1938 г. «Куин Элизабет» (314,4 м, 83000 т).

Это было самое большое в истории мирового судостроения пассажирское судно. По-видимому, последним рекордсменом среди регулярных лайнеров стал корабль «Юнайтед Стайтс», показавший в 1952 г. скорость 35,59 узлов.

Некоторым эпизодом в трансатлантических пассажирских перевозках стало использование дирижаблей, однако, как отметил в своей работе Глеб Черняков: «дирижабли перестали активно использоваться после катастрофы Гинденбурга“ в 1937 г.». К 1960 г. авиакомпании ” перевозили через океан уже 80% всех пассажиров. К концу 60-х гг. столь знаменитая ранее «Кунард лайнз» разорилась, а обе её «королевы»

стали плавучими гостиницами. По словам Саши Пирогова: «кораблигиганты стали детьми того времени и с распространением самолётов перестали быть нужны, но мы все ещё помним гигантов Первой и Второй мировой войны».

Многие участники Турнира верно отмечали, что помимо перевозки пассажиров, наша цивилизация создала и использует до настоящего времени ещё бльшие суда для транспортировки жидких груо зов (нефтяные супертанкеры) и для военного применения (авианосцы).

Хотя, по ряду признаков оба эти типа судов, по-видимому, также уже достигли пределов и своих размеров, и своего применения.

Глава 7. Какое небо голубое (атмосфера)

381. В большом зале на 1000 мест один невоспитанный товарищ выкурил 1 (всего одну!) сигарету. Сколько частиц дыма и пепла после этого попадает в лёгкие каждого из присутствующих при каждом вдохе?

Прежде всего, сделаем следующие разумные предположения. Будем считать, что дым и пепел от выкуренной сигареты равномерно распределились по всему залу, т. е. все присутствующие в зале получают свою дозу в равных количествах. Тогда нужно оценить соотношение объёмов зала и лёгких. Типичное значение рабочего объёма лёгких человека составляет около 2 литров. Типичная площадь залов составляет около 1 м2 на 1 место, а высоту зала можно принять равной 20 м; тогда объём зала составит 1000 м2 · 20 м = 20 000 м3, а соотношение объёмов лёгких и зала — 107. Таким образом, каждый присутствующий при каждом вдохе получает одну десятимиллионную долю всего дыма и пепла, произведённого сигаретой. Оценим теперь, много это или мало.

Как известно, сигареты (и другие табачные изделия) при сгорании выделяют большое количество весьма разнообразных (и, как правило, неполезных) газов, включая достаточно сложные молекулярные комплексы. Для простоты нашей оценки примем, что вся сигарета первоначально состоит из чистого углерода. Тогда, приняв вес сигареты равным 5 г, а вес каждого атома углерода, состоящего из 12 протонов и нейтронов (12 С), равным 12 · 1,6 · 1024 г, получим, что число атомов углерода в ней равно 2,6 · 1023. Соответственно, при сгорании (выкуривании) сигареты углерод полностью окисляется кислородом из воздуха и переходит в такое же количество молекул углекислого газа СО2. Если вспомнить, что в каждом моле вещества содержится 6·1023 молекул (число Авогадро), то получаем, что от одной сигареты образуется 0,5 моля газа СО2, который занимает объём около 10 л. (Кстати, выкурив пачку сигарет, курильщик прогонит через свои собственные лёгкие 200 л газообразных продуктов сгорания). Доля каждого из присутствующих в зале при этом окажется несколько меньше — всего 1017 молекул от той же сигареты (или, другими словами, сто миллионов миллиардов). Желающие могут на досуге самостоятельно попытаться представить себе это число на каких-либо наглядных примерах.

Кроме «газовой» можно предпринять также «пепловую» оценку продуктов, любезно предоставляемых курильщиком всем окружающим.

Тот дым, который мы можем наблюдать при курении, представляет собой твёрдые аэрозольные частицы (кусочки сажи), образованные изза неполного сгорания материала сигареты, и имеющие размеры около 1 микрона, то есть 104 см. Тогда, принимая их плотность равной 1 г/см3, вес каждой такой частицы будет составлять 1012 г, а их общее число от сигареты — 5 · 1012 частиц. Конечно, таких пепловых частиц в лёгкие каждого присутствующего попадет ещё меньше, чем газовых молекул, — всего 106. Однако, миллион потенциальных очагов воспаления и рака в собственных лёгких, — не так уж и мало. И это от одной (!) сигареты, на каждом (!) вдохе, в 1000-местном (!) зале, и от другого товарища (!). А если сам, пачку, и не открывать в комнате окно?

383. Могут ли звезды не мерцать? Могут ли планеты мерцать?

См. ответ на вопрос № 114, стр. 93 (конец текста ответа).

393. Какова максимально возможная на Земле скорость ветра?

А на других планетах (Марс, Венера, Юпитер)?

Конкретные цифры скорости ветра при урагане около поверхности земли составляют 30–100 м/с. Например, при урагане в г. Москве 20 июня 1998 г. значения скорости ветра достигали 26–30 м/с. При этом ширина ураганного фронта составляет от нескольких километров до нескольких десятков километров.

Другой часто встречающейся разновидностью сильного ветра у поверхности земли являются смерчи и тайфуны. Структура у смерча и тайфуна, в отличие от обычных атмосферных фронтов, представляет собой спирально закрученное движение воздуха. Смерчи возникают между быстро движущимися грозовыми облаками и поверхностью земли и имеют диаметр от нескольких метров до десятков метров.

Тайфуны возникают в тропической зоне океана за счёт более сильного нагрева нижних слоёв воздуха и возникающей вследствие этого термодинамической неустойчивости. Они включают в себя значительно большие объёмы воздушных масс, захватывают нижнюю тропосферу до высоты 10–12 км и имеют горизонтальные размеры до нескольких сотен километров. Скорости ветра в смерчах и тайфунах также могут достигать 100 м/с.

Весьма интересное природное явление представляет собой т. н. «стоковый ветер» в Антарктиде. Поскольку Антарктида является ледовым куполом вокруг Южного полюса с высотами 2000–4500 м, над ней образуется так называемый «антарктический антициклон». В центральных областях материка холодный воздух опускается из верхних слоёв атмосферы, а затем, двигаясь к окраинам Антарктиды, он скатывается до уровня моря и при этом разгоняется до ураганных скоростей (до 60 м/с) на кромке ледовых полей. Все рассмотренные примеры ветров представляют движения воздушных масс около поверхности Земли. Вместе с тем, значительные по скорости ветры господствуют в верхней тропосфере и стратосфере. Они также могут достигать скоростей 100 м/с и называются «струйными течениями». Структура струйных течений определяет, в частности, западный перенос масс в наших средних широтах, а также долговременные изменения погодных условий.

Что касается иных планет, то прежде всего необходимо отметить, что общая (глобальная) циркуляция атмосферы на разных планетах существенно различается. На Земле имеются несколько зональных поясов, в которых направление переноса воздушных масс изменяется.

В тропической зоне господствуют пассаты, движущиеся на запад, против направления вращения Земли, и сдвигающие воздушные массы от линий тропиков к экватору. В средних широтах, как было сказано выше, преобладает противоположный перенос, с запада на восток и от линий тропиков к полярным кругам. В полярных зонах, как правило, располагается антициклон с направлением движения воздуха от полюса.

Венера, являясь близкой к Земле планетой по размерам, имеет принципиально иную общую циркуляцию своей атмосферы, которая вся движется с запада на восток, как бы единым потоком. В экваториальной зоне атмосфера обращается вокруг планеты за 4,5 дня, что соответствует постоянной скорости ветра 100 м/с. Однако, такой ветер дует только на высотах 20–22 км над поверхностью планеты; на высоте 10 км ветер падает до 10 м/с, а возле поверхности Венеры он ещё слабее. Кроме этого широтного ветра наблюдается также и меридиональный перенос масс от полюсов Венеры к её экватору, который примерно в 10 раз медленнее. Все эти особенности ветров венерианской атмосферы, а также её турбулентность, наблюдались во время полета в атмосфере Венеры баллонов с космических станций Вега–1 и 2 в 1986 г. Принципиально иное строение и динамику имеет атмосфера самой большой планеты Солнечной системы — Юпитера. Один оборот Юпитер совершает за 10 часов, что соответствует скорости движения 44000 км/час (120000 м/с). Однако, поскольку у Юпитера нет (не наблюдается) твёрдого тела, то видимое движение его атмосферы, соответственно, трудно называть собственно ветром. Внешняя атмосфера Юпитера, как известно, разделена по широте на светлые «зоны»

(где атмосферные массы поднимаются снизу вверх) и тёмные «полосы»

(где они опускаются). Скорости взаимного движения полос и зон достигают 150 м/с. Знаменитое Большое Красное пятно Юпитера, которое представляет собой гигантский циклон или вихрь между двумя соседними полосами, вращаясь с периодом около 6 суток, имеет скорость ветра на периферии 1000 км/час (270 м/с).

Атмосфера Марса более разреженная, чем у Земли, и характеризуется возникающими время от времени ураганами со скоростями в несколько десятков м/с. Они захватывают значительные области планеты и наблюдаются как «пылевые бури».

Разумеется, имеются также и принципиальные ограничения скорости ветра где бы то ни было: это скорость звука в атмосфере, которая зависит от её температуры и давления (для поверхности Земли — 330 м/с). При достижении скорости звука любое движение воздуха превращается в ударную волну, и физика всех дальнейших процессов становится принципиально иной. Разумеется также, что никакой ветер (также как и ничто материальное) не может превосходить скорость света.

404. Какую погоду приносит циклон над Европейской частью России?

Циклоном называют область пониженного атмосферного давления, в отличие от антициклона, где атмосферное давление выше среднего.

Перепады давления каждый может наблюдать самостоятельно с помощью обычного барометра-анероида. Та сторона шкалы барометра, которая соответствует высокому давлению, обозначается обычно словом «ясно», а с низким давлением словами «пасмурно» или «буря».

Если рассмотреть циклон в вертикальном разрезе, то можно было бы увидеть, что в его центральной части тёплый воздух поднимается вверх. У поверхности земли при этом атмосферное давление уменьшается, и приземный воздух из окружающих областей устремляется внутрь циклона. Образуется своеобразная воронка, стягивающая воздух и облака с периферии циклона к его центру. При подъёме тёплого и влажного воздуха вверх он адиабатически охлаждается, его относительная влажность возрастает до точки росы (при том же содержании водяного пара), и начинается быстрая конденсация пара в водяные капли. Из-за этого в циклоне образуется мощная облачность, и начинаются интенсивные осадки, а в приземном слое дует сильный ветер.

Из-за вращения Земли любая система координат на её поверхности является неинерциальной, и на всякое движущееся тело действует специфическая сила инерции, которая называется силой Кориолиса. Она отклоняет движущиеся тела и потоки вправо в северном полушарии Земли, и влево — в южном. По этой же причине, в частности, отклоняются вправо русла рек (см. комментарий 268, стр. 123). Для потока воздуха, испытывающего инерционное отклонение вправо, это аналогично отклонению центра циклона влево. Соответственно, в горизонтальной плоскости (на карте) циклон представляет собой потоки воздуха, движущиеся к его центру по левозакрученной спирали.

На разных планетах реализованы различные режимы глобальной циркуляции атмосфер. Например, на Венере господствует симметричный режим циркуляции: весь облачный слой атмосферы вращается в восточном направлении (т. н. «широтный ветер»). На Юпитере вся атмосфера также вращается в одну сторону, но она при этом разбита на большое число полос и зон. На Земле наблюдается более сложный, т. н. волновой режим циркуляции, при котором вся атмосфера разбита на три зоны: экваториальную, среднюю и полярную; причём в экваториальной зоне господствуют восточные ветры, а в средней — западные. Соответственно, такое атмосферное явление, как циклоны, характерны для средних широт, и на Европейскую часть России они приходят с запада, из средней и северной Атлантики.

При приближении циклона атмосферное давление начинает уменьшаться («барометр падает»), при этом дует западный или южный ветер, несущий тёплый и влажный воздух. В разгар циклона выпадают обильные осадки, а сильный ветер может быстро изменять свое направление («буря, гром и молния, барометр упал и разбился»). После прохождения циклона дует, как правило, сильный северный ветер, и устанавливается холодная погода. За характерный внешний вид на космических снимках и обилие приносимых ими осадков циклоны иногда ещё называют «лоханками с дождями».

411. 20 июня 1998 года над Москвой пронёсся мощный ураган. Почему сломанные деревья были повалены не везде, а в некоторых местах в виде «полос»? Почему образовался подобный ураган, какова была его ширина у поверхности земли и скорость ветра? Чем он отличается от тропических тайфунов?

Ураганный ветер (до 30 м/с) возник из-за столкновения двух атмосферных фронтов с большой разностью температур и давления воздуха, имел зону действия около 30 км 300 км и причинил разрушения в местах прохождения наиболее быстрых вихрей воздуха.

Любой поток воздуха, а тем более такой мощный, как ураган, имеет не равномерный характер, а вихревой. Примеры таких вихрей можно наблюдать на клубах дыма, облаках и других видимых потоках. Их размеры в свободной атмосфере составляют от сотен до десятков метров.

Поток в целом характеризуется некоторой средней скоростью, а скорость движения воздуха в данной точке — её моментальной скоростью.

Моментальная скорость варьируется относительно средней в достаточно широких пределах и может значительно её превышать (иногда в несколько раз). Вместе с тем известно, что сила аэродинамического сопротивления любого тела в потоке пропорциональна квадрату скорости потока. Таким образом, если моментальная скорость воздуха в локальном вихре превысит среднюю, например, в 3 раза, то сила давления на препятствия этому потоку может возрасти почти в 10 раз. Поэтому понятно, что вывал деревьев происходит не повсеместно, а в тех зонах, где более «быстрая» половина вихрей касалась и «прокатывалась» по поверхности земли, шириной в десятки и длиной в сотни метров. Подобное же воздействие при шквалистом ветре можно наглядно видеть на поверхности небольших водоёмов или на равномерно засеянном поле.

Ураганные ветры на средних равнинах могут возникать из-за столкновения двух атмосферных фронтов с сильно различными температурами и давлениями воздуха в них. Горизонтальные размеры таких фронтов составляют сотни километров. 20.06.1998 г. над Москвой встретились воздушные массы относительно сухого воздуха с температурой +35 С и влажного с температурой +10...15 С. Когда вследствие взаимного движения фронтов более тяжёлый холодный воздух оказался над более лёгким тёплым, возникли условия динамической неустойчивости; тёплый воздух начал подниматься вверх, а холодный — падать вниз с большой скоростью, образуя мощные потоки и вихри. Ширина полосы разрушительного урагана составила 20–30 км, протяжённость — до 300 км, скорость ветра — до 30 м/с.

Повторяемость подобных ураганов, иногда сопровождаемых также смерчами, для конкретной местности составляет несколько раз в столетие. В условиях городской застройки воздушные потоки в приземном слое могут как ускоряться в узкостях, так и тормозится зданиями, но этот фактор не является главным; нередко в одинаковых соседних дворах картина была совершенно различной: от отсутствия повреждений до полного вывала деревьев.



Pages:     | 1 || 3 | 4 |   ...   | 6 |
Похожие работы:

«Лев Николаевич Толстой Полное собрание сочинений. Том 29 Произведения 1891—1894 Государственное издательство художественной литературы Москва — 1954 Л. Н. ТОЛСТОЙ ПОЛНОЕ СОБРАНИЕ СОЧИНЕНИЙ ИЗДАНИЕ ОСУЩЕСТВЛЯЕТСЯ ПОД НАБЛЮДЕНИЕМ ГОСУДАРСТВЕННОЙ РЕДАКЦИОННОЙ КОМИССИИ СЕРИЯ ПЕРВАЯ ПРОИЗВЕДЕНИЯ ТОМ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ИЗДАТЕЛЬСТВО ХУДО...»

«Методика и техника социологических исследований © 2002 г. Р.А. ЗОЛОТОВИЦКИЙ СОЦИОМЕТРИЯ Я.Л. МОРЕНО: МЕРА ОБЩЕНИЯ ЗОЛОТОВИЦКИЙ Роман Александрович директор Института организационной терапии (консультационно-исследовательской фирмы). Мы рассматриваем социометрию как метод, который при последовательном и широком применении поднимает...»

«МОТИВАЦИЯ ПЕРСОНАЛА И МЕТОДЫ ОПЛАТЫ ТРУДА В ЗДРАВООХРАНЕНИИ Колосницына Марина Григорьевна — к. э. н., доцент ГУ-ВШЭ (г. Москва) Аннотация В последние годы рост бюджетных расходов в здравоохранении ставит работодателей перед необходимостью в...»

«УДК 74 А.А. Качалова, г. Шадринск Методы и приемы, используемые в создании образа декоративной живописи В статье раскрываются основные методы и приемы, способствующие созданию художественного образа декоративно-живописной учебной работы, а именно: орнаментальноритмическая основа натурной постановки, творческая инт...»

«А.М. НОВИКОВ Д.А. НОВИКОВ МЕТОДОЛОГИЯ СИНТЕГ Российская академия Российская академия наук образования Институт проблем Институт управления управления образованием А.М. Новиков Д.А. Новиков МЕТОДОЛОГИЯ · ОСНОВАНИЯ МЕТОДОЛОГИИ · МЕТОДОЛОГИЯ НАУЧНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ · МЕТОДОЛОГИЯ ПРАКТИЧЕСКОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ · ВВЕДЕНИЕ В МЕТ...»

«июль 1966 В НОМЕРЕ ПРОЗА Николаи шеИНАИОВ. Ьсл,1И ночь в окне, Д Повесть Альберт ЛИХАНОВ. Сто шестой элемент, Рассказ Игорь МИНУТКО. Одесский трамвай, Рассказ П. БАГРЯК, Кто? ПриключениеЯП екая повесть.• ПОЭЗИЯ Проел.m...»

«I. НАУЧНЫЕ СТАТЬИ А.В. И в а н о в ПЕТР I И ДЕКОРАТИВНО-ХУДОЖЕСТВЕННОЕ УБРАНСТВО 90-ПУШЕЧНОГО КОРАБЛЯ «ЛЕСНОЕ» 7 декабря 1714 г. в Санкт-Петербургском Адмиралтействе был заложен первый русский линейный корабль высшего ранга — 90-пушечный «Лесное». Проект корабля выполнил сам Петр I, он же считался его строите...»

«Гюстав Флобер Воспитание чувств http://www.litres.ru/pages/biblio_book/?art=159737 Гюстав Флобер. Госпожа Бовари. Воспитание чувств: Эксмо; Москва; 2008 ISBN 978-5-699-28060-5 Аннотация Гюстав Флобер вошел в мировую литерату...»

«Сообщение о существенном факте “Сведения о решениях общих собраний” 1. Общие сведения 1.1. Полное фирменное наименование эмитента Открытое акционерное общество «Русгрэйн (для некоммерческой...»

««ЛКБ» 2. 2010 г. Литературно-художественный и общественно-политический журнал МИНИСТЕРСТВО ПО ИНФОРМАЦИОННЫМ КОММУНИКАЦИЯМ, РАБОТЕ Учредители: С ОБЩЕСТВЕННЫМИ ОБЪЕДИНЕНИЯМИ И ДЕЛАМ МОЛОДЕЖИ КБР СОЮЗ П...»

«Захар Прилепин Захар Прилепин ЛЕТУЧИЕ БУРЛАКИ Издательство АСТ Москва УДК 821.161.1-31 ББК 84(2Рос=Рус)6-44 П76 Оформление переплёта — Андрей Ферез Прилепин, Захар. П76 Летучие бурлаки / Захар Прилепин. — Москва : Издат...»

«УДК 821.111(73) ББК 84 (7Сое) Д94 Серия «Очарование» основана в 1996 году Tessa Dare ONE DANCE WITH A DUKE Перевод с английского Е.А. Ильиной Компьютерный дизайн Г.В. Смирновой Печатается с разрешения автора, издательства HarperCollins Publishers и литературного агентства Andrew Nurnberg. Дэр, Тесса Д9...»

«БОГОСЛОВСКИЕ ТРУДЫ, ХШ ПУБЛИКАЦИИ К, И. ЛОГАЧЁВ (Ленинград) Николая Дмитриевича Успенского я впервые увидел много лет тому назад, присутствуя на торжественной церемонии присуждения почетной докторской степени приснопамятному митрополиту Ленинг...»

«Т. В. Федосеева DOI 10.15393/j9.art.2016.3881 УДК821.161.1.09“17” Татьяна Васильевна Федосеева Рязанский государственный университет имени С. А. Есенина (Рязань, Российская Федерация) t.fedoseeva@rsu.edu.ru СЮЖЕТ О ГОРДОМ / ГРЕШНОМ ЦАРЕ В ТРАГЕДИЯХ Г. Р. ДЕ...»

«Защита против, или, Командовать парадом буду иа, 2008, Михаил Юрьевич Барщевский, 5971365630, 9785971365631, АСТ, 2008 Опубликовано: 2nd June 2009 Защита против, или, Командовать парадом буду иа СКАЧАТЬ http://bit.ly/1gX2plw Мементо финис демон храма, Игнаше...»

«УДК 615.89 ББК 53.59 Д 18 Консультации Н.И. Даникова можно получить по телефону 8-903-283-8749 или на сайте http://www.mosznahar.ru/ Даников Н. И. Д 18 Целебная сода / Даников Н. И. — М. : Эксмо, 2013. — 288 с. — (Я привлекаю здоровье). В этой...»

«Делёз—Гваттари. Анти-Эдип Удовольствие: политический вопрос Фредрик джеймисон Перевод с английского Евгении Вахрушевой по изданию: доктор наук, именная профессура © Jameson F. Pleasure: A Political Уильяма Лейна пр...»

«УДК 378.016:75 А.А. Качалова г. Шадринск Метод творческой интерпретации натуры, как средство развития художественного воображения студентов-дизайнеров на занятиях декоративной живописи В статье раскрываются ос...»

«УДК 82(1-87) ББК 84(7США) С 11 Danielle Steel THE HOUSE ON HOPE STREET Copyright © 2000 by Danielle Steel Перевод с английского В. Гришечкина Художественное оформление С. Власова В авторской серии роман выходил под названием «Неожиданный роман» Стил...»

«Елена Семеновна Чижова Время Женщин Елена Чижова \ Время женщин: Астрель; Москва; 2010 ISBN 978-5-271-26989-9 Аннотация Елена Чижова – коренная петербурженка, автор четырех романов, последний – «Время женщин» – был удостоен премии «РУССКИЙ БУКЕР». Судьба главной героини романа – жесткий парафраз на тему народного фильма...»

«268 УДК 796.015.83 СПОРТИВНЫЙ ОТБОР И ОРИЕНТАЦИЯ В СИСТЕМЕ МНОГОЛЕТНЕГО СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ГИМНАСТОК В ГРУППОВЫХ УПРАЖНЕНИЯХ ХУДОЖЕСТВЕННОЙ ГИМНАСТИКИ Сиваш И.С., аспирант Национальный университет физи...»

«Электронный научно-образовательный журнал ВГСПУ «Грани познания». №5(19). Декабрь 2012 www.grani.vspu.ru В.В. ЦынноВа (Волгоград) ассоциативНо-образНое мышлеНие как творческий компоНеНт профессиоНальНой деятельНости специалистов художествеННо-графи...»





















 
2017 www.pdf.knigi-x.ru - «Бесплатная электронная библиотека - разные матриалы»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.